回饋及信號數位教材設計對奈米科技學習之自我效能與自我調節之影響研究

國

立

交

通

大

學

理學院科技與數位學習學程

碩

士

論

文

回饋及信號數位教材設計對奈米科技學習之自

我效能與自我調節之影響研究

The effect of feedback and signaling design on students’

self-efficacy and self-regulation for learning nanotechnology in

an e-learning environment

研 究 生：楊惠婷

指導教授：孫之元 教授

回饋及信號數位教材設計對奈米科技學習之自我效能與

自我調節之影響研究

The effect of feedback and signaling design on students’

self-efficacy and self-regulation for learning nanotechnology in

an e-learning environment

研 究 生：楊惠婷 Student：Hui-Ting Yang

指導教授：孫之元 教授 Advisor：Dr. Jerry Chih-Yuan Sun

國 立 交 通 大 學

理 學 院 科 技 與 數 位 學 習 學 程

碩 士 論 文

A Thesis

Submitted to the Degree Program of E-Learning College of Science

National Chiao Tung University In Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of

Master in E-Learning

June 2013

Hsinchu, Taiwan, Republic of China

中 華 民 國 一 零 二 年 六 月

I 回饋及信號數位教材設計對奈米科技學習之 自我效能與自我調節之影響研究 學生：楊惠婷 指導教授：孫之元 教授 國立交通大學理學院科技與數位學習學程

摘要

依據2011 年 TIMSS (國際數學與科學成就趨勢調查)研究資料顯示，臺灣地 區國中八年級學生在科學學習之學習成就高，卻缺乏學習自信心。在新興科技議 題之相關學習上，許多學生在學習上常有著迷思概念。以奈米科技之學習為例， 學生常認為奈米是一種物質，而忽略了尺度大小的觀念。近年來，數位學習已成 為教學趨勢。在進行多媒體學習時，許多教材雖能引起學習動機，卻使學習者忽 略學習內容或造成過重的認知負荷，抑或是教材內容過於無趣，導致其無法引起 學習動機。本研究旨在探討利用多媒體學習理論中之信號原則及不同回饋之數位 學習教材設計方式對國中學生學習奈米科技之自我效能、學習成效是否有所影響， 並透過數位學習教材之使用，探討學生在自我調節學習之能力上是否有所影響。 研究對象為苗栗縣某國中95 名八年級學生，分為實驗組三組與控制組一組，採 ANCONA、成對樣本 T 檢定等統計方式進行資料處理。 研究結果顯示，雖然就整體性而言，不同信號與回饋設計方式之數位學習教 材對於學習奈米科技之自我效能、學習成效與自我調節能力影響不大，但在比較 課程前、後差異時發現，除了實驗組 A(僅具信號設計)外，其餘組別在課程前、 後之學習成效皆有顯著差異。不論高、低學習成就之學生，在使用具信號、無信 號與具回饋設計之數位教材的情況下，課程前、後之進步顯著；然而只有高學習 成就之學生使用無回饋設計之數位教材時，才有顯著進步，低學習成就學生則無 影響。在具信號與回饋設計之數位學習教材中，高自我調節能力學生較低自我調 節能力學生，有較佳之學習奈米科技之自我效能，且達顯著差異。此研究成果希 望能作為數位教材開發相關研究或教學者之參考。 關鍵字：奈米科技教學、信號、回饋、自我效能、自我調節

II

The effect of feedback and signaling design on students’ self-efficacy and self-regulation for learning nanotechnology in an e-learning environment Student: Hui-Ting Yang Advisor: Dr. Jerry Chih-Yuan Sun

The degree program of E-Ling College of Science, National Chiao Tung University

Abstract

According to the results from the TIMSS (Trends in International Mathematics and Science Study) in 2011, Taiwanese eighth-grade students had high academic achievement whereas they had low efficacy in learning science. When learning the topics related to emerging technologies, most students revealed misconceptions. For example, most students perceived the concept of nano as a form of the substance instead of a unit of measure. E-learning instruction has become a promising trend in recent years. Although multimedia teaching materials can enhance learners’ motivation, they may distract learners from the process and in turn result in learners＇ cognitive overload or cause boredom. Therefore, the purpose of this study was to investigate the effect of feedback and signaling design on students’ academic achievement, self-efficacy and self-regulation for learning nanotechnology in an e-learning environment. Participants were 95 junior high school students in northern Taiwan, randomly assigned to either the control group or one of the three experimental groups. The analysis of ANCOVA and t-test were conducted in order to compare the differences in learning outcomes among difference e-learning designs.

The results showed that in general, there were no signigicant differences in students’ academic achievement, self-efficacy, and self-regulation for learning nanotechnology. However, comparing students’ learning outcome between pre- and pro-test, it was found that students’ performance from three of the four groups became significantly higher after using the e-learning material. In addition, both high and low performing stuedents improved significantly after using the e-learning material with signaling, feedback or without signaling, only high performing students were improved significantly after using the e-learning materials without feedback. Lastly, students with high self-regulation had significantly higher self-efficacy for learning nanotechnology than those with low self-regulation in an e-learning environment with both feedback and signaling designs. Recommendations for future studies related to e-learning course design and instructions were also provided.

Keywords: nanotechnology instruction, signaling, feedback, self-efficacy, self-regulation

III

誌謝

又到鳳凰花開的時節，既是終點也是起點。猶記得剛考上交大研究所時的喜 悅，然而，開學之後，才發現到念研究所需要耗費許多心力與努力。除了修習課 程之外，在研究方面，從蒐集文獻、整理文獻、實驗施測、資料分析到論文撰寫， 都需要不斷利用時間及精神進行研究。在研究過程中，往往都會遇到大大小小的 困難與瓶頸，這些都需要想辦法克服，同時，也要感謝所有曾經在論文研究中給 予幫助的人。 感謝指導教授孫之元教授，總是不忘叮嚀在研究過程中必須注意的各項大小 細節，總是關心進度並且針對研究內容提出許多可讓研究更完整的建議；感謝口 試委員陳明璋教授，在數位教材設計上給予諸多意見，解決我的困惑，提升對於 數位教材設計的感覺與能力；感謝口試委員陳昭秀教授對於論文撰寫方式及各項 細節給予寶貴建議，使研究論文能夠更加嚴謹與專業。感謝清華大學動機系葉孟 考教授所主持的奈米國家型科技人才培育計畫團隊，提供奈米科技教學的相關資 源，使教材設計能夠臻於完善。在施測的過程中，感謝苗栗縣頭份國中李桂雲老 師給予支持與協助，使實驗施測能夠順利完成。感謝交通大學周倩教授團隊協助 支援數位學習教材設計的工具，使數位教材設計能夠如期完成。 兩年的研究所生涯，最難能可貴的是能有同伴一起在研究路上互相扶持與鼓 勵。感謝同實驗室的宥葶、冠賢，每次和你們討論論文時，總會讓我的靈感乍現， 並且找到方向。同班同學雅婷、蕙璐、昱茹、思仰、昭吉、士立、天行、佩芳… 等同學，都是討論的好伙伴，每次和大家聚在一起聊聊時，總是會有不同的收穫， 那歡樂的討論氣氛令人難以忘懷。還有美婷、曉華、佩芬等同學，感謝妳們總是 細心的提醒課程中或是在寫論文時應該注意的事項與相關資訊，讓我能夠及時繳 交作業或是處理課程上的事情。除此之外，還要感謝主管、同事、大學同學與高 中同學，你們的加油打氣總是讓我能夠從精疲力盡的狀態中重新恢復能量。 感謝親愛的家人，家人是我的強大後盾，因為有家人的支持與關心，才能使 我在研究的過程中充滿元氣，有力量面對論文研究中的所有挑戰! 在人生旅程中， 總是「得之於人者太多，施之於己者太少」，最後要感謝的，就是那上蒼，感謝 上蒼讓我擁有許多許多，而我也要保持著一顆謙卑之心，珍惜所有，並盡自己所 能，幫助需要幫助之人。 惠婷 僅誌於 國立交通大學 2013/6/22

IV

目 錄

摘要………I Abstract……….II 第一章、 緒論 ... 1 第一節、研究背景與動機 ... 1 第二節、研究問題 ... 3 第三節、名詞釋義 ... 4 第四節、研究範圍與限制 ... 5 第二章、 文獻探討 ... 6 第一節、奈米科技教學 ... 6 第二節、多媒體認知學習理論 ... 13 第三節、回饋相關研究探討 ... 25 第四節、自我效能相關研究探討 ... 33 第五節、自我調節相關研究探討 ... 38 第六節、小結 ... 47 第三章、 研究方法 ... 49 第一節、研究設計 ... 49 第二節、研究流程 ... 51 第三節、研究對象 ... 53 第四節、研究工具 ... 53 第五節、資料處理與分析 ... 62 第四章、 結果與討論 ... 64 第一節、描述性統計 ... 64 第二節、不同信號與回饋設計方式對於學習奈米科技之自我效能、學習成效與學生之 自我調節能力之影響 ... 64 第三節、不同學習成就之學生在使用數位教材前、後之學習成效比較分析 ... 70

V 第四節、不同自我調節能力學生學習奈米科技自我效能之比較分析 ... 74 第五節、數位學習教材易用性及質化資料分析 ... 77 第五章、 結論與建議 ... 85 第一節、研究結論與討論 ... 85 第二節、研究限制 ... 92 第三節、未來研究建議 ... 93 參考文獻………..96 附錄一 前、後測問卷-自我效能、自我調節、數位教材易用性 ... 111 附錄二 奈米知識測驗題 ... 114 附錄三 奈米科技線上課程學生回饋問卷 ... 116

VI

表 目 錄

表2-1 多媒體學習理論的三個假設 (Mayer, 2001) ... 15 表2-2 多媒體認知學習理論的 12 個原則 (改編自 Mayer, 2001) ... 18 表2-3 不同類型之回饋分類整理表 (本表改編自 Shute, 2008) ... 30 表2-4 不同程度自我效能與期待結果之學習者行為與反應 (改編自 Schunk et al., 2010) ... 35

表2-5 自我調節的概念六面向，改編自(Zimmerman & Risemberg, 1997) ... 42

表3-1 實驗組別 ... 50 表3-2 本研究之自我調節量表節錄 ... 54 表3-3 雙向細目表 ... 55 表3-4 鑑別度與決策指標對照 ... 56 表3-5 試題鑑別度與難易度分析 ... 56 表3-6 刪題前、後之鑑別度與難易度平均值 ... 57 表4-1 樣本人數統計 ... 64 表4-2 誤差變異量的 Levene 檢定等式 ... 65 表4-3 受試者間效應項的檢定 ... 65 表4-4 自我效能之描述性統計及 ANCOVA 結果 ... 66 表4-5 學習成效之描述性統計及 ANCOVA 結果 ... 66 表4-6 自我調節能力之描述性統計及 ANCOVA 結果 ... 67 表4-7 全體學生前、後測差異之 t-test 結果 ... 67 表4-8 實驗組 A (信號+無回饋組) 學生前、後測差異之 t-test 結果 ... 68 表4-9 實驗組 B (無信號+回饋組) 學生前、後測差異之 t-test 結果 ... 68 表4-10 實驗組 C (信號+回饋組) 學生前、後測差異之 t-test 結果 ... 69 表4-11 實驗組 D (無信號+無回饋組) 學生前、後測差異之 t-test 結果 ... 69 表4-12 二因子變異數分析摘要表 ... 71

VII 表4-13 各類型數位學習教材之高學習成就與低學習成就之人數 ... 71 表4-14 不同學習成就學生在具信號設計組別之前、後學習成效比較 ... 72 表4-15 不同學習成就學生在無信號設計組別之前、後學習成效比較 ... 72 表4-16 不同學習成就學生在具回饋設計組別之前、後學習成效比較 ... 73 表4-17 不同學習成就學生在無回饋設計組別之前、後學習成效比較 ... 73 表4-18 高自我調節能力與低自我調節能力之人數 ... 75 表4-19 不同自我調節能力學生在具信號設計組別之自我效能比較 ... 75 表4-20 不同自我調節能力學生在無信號設計組別之自我效能比較 ... 76 表4-21 不同自我調節能力學生在具回饋設計組別之自我效能比較 ... 76 表4-22 不同自我調節能力學生在無回饋設計組別之自我效能比較 ... 76 表4-23 教材易用性調查 ... 78 表4-24 各種信號及回饋設計方式在教材易用性量表中各面向的平均數 ... 79 表 5-1 研究結果總表 ... 86

VIII

圖 目 錄

圖2-1 多媒體學習中的雙聲道處理歷程 (改編自 Mayer & Moreno, 1998) ... 14

圖2-2 Bandura 之 triadic reciprocality 模型(Bandura, 1986) ... 36

圖2-3 依據 Bandura (1986)之 triadic reciprocality 模型設計之研究模型 ... 37

圖2-4 自我調節循環歷程 (Zimmerman, 1989) ... 39

圖2-5 強調自我調節的回饋學習模式(改編自祝新華，2012； Nicol & Macfarlan-Dick, 2006) ... 46 圖3-1 研究架構 ... 50 圖3-2 研究流程圖 ... 52 圖3-3 實驗實施流程圖 ... 52 圖3-4 教材首頁介面設計 ... 59 圖3-5 學習頁面 ... 59 圖3-6 生命體結構大小排列-具信號設計 ... 60 圖3-7 生命體結構大小排列-不具信號設計 ... 60 圖3-8 電子顯微鏡下的壁虎-具信號設計 ... 61 圖3-9 電子顯微鏡下的壁虎-不具信號設計 ... 61 圖3-10 親水性、疏水性-具信號設計 ... 61 圖3-11 親水性、疏水性-不具信號設計 ... 61 圖3-12 無回饋之練習題頁面 ... 62 圖3-13 具 EF 回饋之頁面顯示方式 ... 62 圖5-1 本研究之 EF 回饋設計 ... 94 圖5-2 未來研究之 EF 回饋設計修改示意圖 ... 94

1

第一章、 緒論

第一節、 研究背景與動機

依據 2007 年的 TIMSS(國際數學與科學成就趨勢調查)研究資料顯示，亞洲 地區，如臺灣、日本、新加坡等地區之學生在科學學習上具有高學習成就，卻缺 乏學習興趣(李哲迪，2009；林煥祥、劉聖忠、林素微、李暉，2008)。在 2011 年的 TIMSS 的研究調查資料中，臺灣地區之國中八年級學生在整體科學學習的 成就上，名列前茅，具有良好之學習表現；然而，在對於科學學習之自信心上， 國中八年級之學生中，67%是沒有自信心的，這些人在自然科學之相關科目學習 上卻有良好的學習表現。由此可見，雖然國中學生在科學學習之學習表現上是優 異的，但卻還是有許多學生缺乏自然科學學習之信心(Martin, Mullis, Foy, & Stanco, 2012)。Ketelhut (2007)依據其教學經驗及探討關於學生在自然科學學習信 心之相關文獻後，認為美國中學生對於科學學習之自我效能低落，增進學生對於 學習科學之自我效能為促進科學教育之第一步。若一位學生在學生時代失去對於 科學學習的熱忱，那麼有可能在未來的生涯發展中拒絕進行科學方面之相關研究， 如此將會影響國家科學發展。因此，提升學生的科學學習自我效能是必要的，尤 其是透過不同的教學媒體與教學方式，以期能提升學生科學學習之自我效能。 奈米科技為 20 世紀以來所發展的新興科技議題之一，在自然科學課程中將 科技議題融入課程中是重要的且必要的，可培養學生具有民主素養並讓學生了解 在科技發展的過程中，可能造成的衝擊與社會影響，進而增進其思考與判斷能力， 並盡到應盡的社會責任(邱文正，2008)。在新興科技議題融入中小學自然科學的 學習上，必須採用適當的教學策略與教學方法進行引導，才能引起學生之學習動 機與學習興趣，進而提升學生的學習成效(林桂櫻，2005；洪國展，2010)。在奈 米科技教學中，激發學生對於學習奈米科技之學習動機為重要的課題，將較難理

2 解之概念簡化，並與日常生活相結合，將能引發學習動機與學習興趣(邱文正， 2008)。以奈米科技教學來說，由於奈米科技難以用肉眼觀察，其抽象概念較不 易理解，例如，在奈米科技教學課程中，學生對於「奈米」一詞常常存在著迷思 概念，認為奈米是一種物品或物質；因此，若能善用多媒體教材的特性，將奈米 科技概念轉化為具體且易於觀察的具象化圖像、文字等，並與學生生活經驗相結 合，將能引起學生之學習動機與興趣，並提升學習效果(潘文福，2004；洪國展， 2010)。自 2002 年起，教育部及行政院國家科學委員會持續推動奈米國家型科技 人才培育計畫，針對中小學生發展出豐富之奈米科技相關之教材教案，其教材內 容大多為紙本式之傳統教材，將奈米科技相關概念闡述予中小學生理解(Lee, Wu, Liu, & Hsu, 2006)。若能將數位學習工具應用在奈米科技課程中，將能夠使學習 者得到更多學習相關概念的機會(Malsch, 2008)。 近年來，不論是學校教育或企業教育訓練，數位學習已成為教學趨勢(李世忠、 趙倩筠，2007)。數位學習具有適性化學習、學習者自行控制、多元互動等特性， 將數位科技與教學設計互相融合，以設計出符合使用者需求，進而增進學習成效 之數位學習教材，為所關注的焦點(李世忠、趙倩筠，2007)。在多媒體學習與數 位學習領域之相關研究中，關於教材設計之研究大多與學習之認知歷程、學習效 果、教材易用性等有所關連，較少關於學習動機或動機因素等研究，主要的原因 在於，許多多媒體教材會使用過於炫麗、鮮艷的圖像、動畫或是複雜的功能以引 起學習動機，然而往往卻造成學習者在學習上的障礙，產生太多的負荷，對於學 習之自我效能低落，無法進行完善之自我調節學習，或是無法將專注力聚焦於真 正的學習內容上，而將注意力移轉到外在的炫麗動畫、精美圖片、複雜功能等非 主要學習內容的部分(Astleitner & Winsner, 2004)。學者 Mayer (2001)提出多媒體 教材設計之原則，其中一個為信號原則，信號原則主要之實施方式為增加提示， 標示教材中重要的部分，以幫助學習者之學習。因此，本研究假設若能夠善用信 號設計所具有之特色，應能解決目前數位教材設計中所遇到之難處，減低學習者

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在數位學習環境中所遇到到困擾(如：負荷過重、無法專注等)，以增加學習動機。 在數位學習環境中，提供練習題或測驗題，可迅速檢視學習者之學習成效。除了 練習題外，若能提供回饋，更能夠在短時間內提升學習成效。目前大多的研究注 重不同之回饋型式對於學習成效之影響，較少研究為關於不同之回饋型式對於學 習動機因素是否有所影響，如自我效能、自我調節等(Narciss & Huth, 2006)。

有鑑於上述之背景與動機說明，本研究將設計具信號設計與不同回饋方式之 奈米科技數位教材，以探討此種數位教材設計方式對於國中學生在學習奈米科技 時之自我效能、學習成效與自我調節能力是否有所影響。

第二節、 研究問題

依據前一節之論述，本研究將先針對信號設計、回饋、自我效能、自我調節 等研究變項進行文獻探討與建立理論基礎，其後進行教材設計並施測、資料分析， 以探討數位教材之何種設計方式有利於奈米科技之學習，本研究之研究問題分述 如下： 一、 在數位學習教材中，不同信號與回饋設計方式對於國中學生學習奈米科 技之自我效能、學習成效與自我調節能力是否有所影響，以及學習前、 後是否有所差異？ 二、 不同學習成就之學生，使用不同信號與回饋設計方式之數位學習教材， 在學習前、後，學習成效是否有所差異？ 三、 不同自我調節能力學生，使用不同信號與回饋設計方式之數位學習教材， 對於學習奈米科技之自我效能是否有所差異？

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第三節、 名詞釋義

壹、 奈米科技教學 奈米為一尺度單位，1 奈米等於 10-9公尺。奈米科技則泛指物質在介觀結構 中，會改變原有在巨觀世界中所呈現的物理、化學性質，且應用於不同科學、科 技領域，如材料、紡織、生物、醫藥、光電等。本研究所指的奈米科技教學為針 對中小學生設計奈米科技概念相關之教學活動、教材等。 貳、 信號設計 信號設計指的是在多媒體學習課程中，標示重要的文字與圖片。Mayer (2001) 認為，當提示、信號出現在多媒體教材中時，學習效果較佳。信號設計能夠直接 導引學習者至課程中重要的部分，並建立每個關鍵重點的連結性或相關性，以減 低學習者外在搜尋的歷程。 參、 回饋 一個學習者經過學習行為後，所獲得之學習結果、成績、教師評語等。回饋 能夠幫助學習者了解自己的學習程度，改正在學習過程中所遇到的迷思，進而調 整學習狀況，增進學習成效。回饋之形式有許多種，不同形式之回饋方式具有不 同的功能，適用於不同類型之學習者(Dempsey, Driscoll, & Swindell, 1993; Shute, 2008)。本研究之回饋主要針對在數位學習環境中，學習者在練習題答題中，系 統所給予的回饋。本研究主要採取之回饋方式為無回饋及詳盡回饋。 肆、 自我效能 自我效能為一個人對於完成一個任務、目標之自我判斷與信念。自我效能影 響一個學習者對於學習活動的選擇、努力程度，以及持續性，自我效能對於學生 之學習行為扮演重要的角色(Bandura,1997)。

5 伍、 自我調節 自我調節學習為一個主動、有效益的歷程，藉以讓學習者在學習中設定目標， 並且控制學習者的認知、動機、行為以及學習情境。自我調節學習之範圍廣泛， 結合了多元且複雜之現象。Zimmerman (1997)提出自我調節研究的六個面向的概 念模型，六個面向之自我調節歷程為目標設定、學習策略、時間管理、自我監控、 環境結構、尋求資源。

第四節、 研究範圍與限制

本節進行研究範圍與研究限制之說明： 壹、 研究範圍 本研究之研究範圍為自行設計之奈米科技數位教材，其教材之設計特色具有 信號等相關提示，依課程內容之重要程度給予不同的信號提示；教材中之另外一 部分為具有不同回饋形式之練習題。研究對象為苗栗縣某國中學生。本研究僅針 對國中學生，探討奈米科技數位教材中不同因素對於其學習奈米科技之自我效能、 學習成效與自我調節能力之相關影響，在其他影響層面上將不論述。由於研究中 之教材為自行設計，僅就教材本身做探討，因此無法適用於其他教材之相關研究 推廣。 貳、 研究限制 在研究限制的部分，由本研究之研究對象於苗栗縣某鄉鎮之國中學生，無法 擴及至其他地區、年級之樣本，研究對象有限，僅為限制結果的推論。在研究時 間的部分，由於研究時間有限，僅為課堂時間，無法長時間進行時間與觀測，故 本研究結果不宜過度推廣至其他地區之研究對象、其他學習主題、與其他數位學 習方式等範圍。

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第二章、 文獻探討

本章將首先介紹奈米科技教學之相關發展並進行相關文獻探討，以了解奈米 科技教學之現況及其與中小學課程連結之相關性。接著介紹多媒體認知理論、信 號設計與回饋設計，以了解信號設計與回饋設計在數位學習中所扮演之角色。其 後探討動機因素中之自我效能、自我調節，並了解此二者與多媒體學習中之信號 設計、回饋設計所具有之相關性，並進行相關文獻討論。

第一節、 奈米科技教學

本節將首先說明奈米、奈米科技之定義與相關簡介，其後說明奈米科技教學 之相關發展與研究，以了解目前國內外奈米科技教學現況。 壹、 奈米科技定義與簡介 奈米科技為 20 世紀以來所發展的新興科技，奈米科技為現今社會中重要的 科學技術。1959 年，物理學家費曼在演講中提到，「底部還有很大的空間」(There’s plenty of room at the bottom)，從此展開奈米科技相關技術的研究，使科技發展邁 向新的里程碑(Feynman, 1999)。奈米為一尺度單位，1 奈米等於 10-9公尺，奈米 屬於介於在「宏觀」與「微觀」之間的「介觀」世界(楊清智，2012)。學術與高 科技領域中，奈米科技所應用之範圍包含化學、光電、醫藥、生物、材料、紡織 等，同時，奈米科技之發展與人類日常生活息息相關，人們可運用奈米科技相關 原理，發展出各種方便日常生活之產品(蔡元福、吳佳瑾、胡焯淳，2004)。例如， 透過奈米科技技術，可將藥物製作成極細小的粉粒，使其具有良好的吸收力；未 來，也可透過奈米技術將抗癌藥物製成極小顆粒並且加上電磁，服用後，將磁鐵 放在癌細胞部位，藥物便不會擴散而造成對人體的傷害(潘文福，2004)。 許多科技之起源與大自然現象有密切之相關，在奈米科技之領域也不例外(王 宗坤，2001)。在奈米科技的研究中，與大自然現象關聯最著名的例子為「蓮葉 效應」(lotus effect)，當水滴在蓮葉上時，水不會散開，並會形成水珠，是由於

7 蓮葉表面上分布細微的奈米結構，使其具疏水性。蓮葉效應常被應用於衣物、織 品中，運用疏水性的特性，使物質能夠防水。此外，「彩蝶效應」指的是由於具 有光子晶體的奈米孔隙結構，使得蝴蝶翅膀、金龜子等生物能夠因光的反射，而 在不同角度下觀看時，會有不同的色彩。壁虎之所以能夠緊黏於牆壁上不滑落的 原因便在於其腳掌具有數以百萬根奈米級之剛毛，每根剛毛具有正負電荷吸引之 凡得瓦力(van der Waals force)，使得壁虎能夠緊黏於牆壁之上，利用此原理，市 面上出現黏著力強之壁虎膠帶，能夠緊黏物體。

奈米科技之發展逐漸受重視，國內外亦積極進行相關之研究，如美國發展國 家奈米技術創新計畫 (The National Nanotechnology Initiative: The Initiative and Its Implementation Plan, 2001)；英國成立奈米科技學會(Institute of Nanotechnology, ION, 1997)。我國亦將奈米科技列為國家發展計畫重點之一。除了奈米科技之技 術發展之外，培育相關人才亦為重點項目(陳沅、曾國鴻，2005)。 貳、 奈米科技教學相關研究 奈米科技為備受矚目之新興科技議題，培養此方面之相關人才並推廣全民對 奈米科技基本概念之認識為目前首要之務(潘文福，2004；盧秀琴、宋家驥，2010)。 行政院國家科學委員科學教育發展處會推動「奈米國家型科技人才培育計畫」， 預計效益為提升教師於奈米科技之學術涵養與教學品質、提升我國奈米科學教育 國際地位、提升國民奈米科技核心素養等(奈米科技教育學院，2009)。吳茂昆(2002) 認為在奈米國家型計畫中，所需培育之人才，必須從小學、中學、大學、研究所 及在職訓練等各種教育政策目標相結合。藉由奈米人才培育計畫之執行，將科學 之概念向下紮根，使中小學生及早了解科學相關理論與概念，將對其未來生涯發 展有助益，同時，能夠培育學生具有奈米科技基本素養，加強對奈米科技概念之 理解，厚植國家競爭力，加速國內奈米產業推動(李世光、林宜靜、吳政忠、黃 圓婷與蔡雅雯，2003)。科技與學術研究之根本在於教育，若要提升奈米科技方

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面之競爭力，必須推廣至國民教育，讓中小學生提早了解奈米科技基本概念，以 培育更多奈米科技人才(黃佳媛，2010；溫明正，2005)。奈米科技的相關技術應 用在產業上可帶來極高的效益，因此，培育具奈米科技素養之研發人才是必要的 (Foley & Hersam, 2006)。

在國內外，關於奈米科技教學之相關研究日益漸多，大多為針對不同學習對 象、不同教學方式作學習成效之比較。學者吳政忠(2004)認為，由於中小學生心 智發展尚未成熟，不贊成讓中小學生學習過於深入之奈米知識，中小學生僅需了 解奈米基本概念即可，透過遊戲進行學習與想像抽象之概念，將能擴大中小學生 對於奈米科技之視野，中小學生有了奈米基本概念，將來具有此方面之競爭力， 具有正面意義(吳政忠，2004)。王美芬 (2000)指出，近年來，奈米科技教育已逐 漸受重視，一般小學教師普遍認為奈米科技為高深的科技技術，國小學童較無法 接受其相關知識，然而，許多科學技術皆是由基礎的知識觀念所衍生而來的，發 展一套探究式教學模式之課程將使小學生更能由淺入深獲得基本的科學知識。將 奈米科技知識由下而上帶入中小學中，將能夠使奈米科技技術更加精進；在中小 學奈米科技課程的設計上，必須能夠傳遞清楚、正確的觀念，同時要以學習者為 中心 (Foley & Hersam, 2006)。Friedman 及 Nasir (2011)針對將奈米科技教學應用 在醫學研究中之相關意見與想法進行線上問卷調查，調查對象為隨機抽取 100 位美國醫學研究中心之皮膚科實習醫生、研究人員等，其結果顯示，有78%的人 認為進行奈米科技在醫學應用中的相關教學是必要的，同時有69%的人曾經參與 過奈米科技之相關教學活動。在歐洲國家中，針對大學生、研究生、產業界人士 等，進行奈米教育之專案，開設假日訓練課程、技術培訓課程、數位學習課程等， 以培育奈米奈米科技專業人才(Malsch, 2008)。由此可見，在不同的領域人才培 育中，培養具有奈米科技相關素養的人才是必要的。 由於在奈米尺度下，許多現象是難以察覺的，中小學生對於抽象之奈米相關 概念便會較難以理解。因此，運用實際之動手做實驗展示奈米世界中之相關現象

9 是重要的。Bagaria、Dean、Nichol 與 Wong (2011)將奈米相關概念中之「自組裝」 (Self-assembly)概念，以一系列之實驗展示予中學生，並讓學生實際動手操作， 以讓學生了解分子組成的原理。 Schank、Wise、Stanford 與 Rosenquist (2009)於 2008 年之春季課程中，針對 200 位美國舊金山地區之 9 至 12 年級之中學生進行奈米科技課程之教學，其課 程融入化學、生物、物理等課程。研究結果顯示，將奈米科技概念課程實施於中 學課程是可行的。學生在物理、化學、生物等基礎學科有概念後，再進行奈米科 技概念之學習，在課程中表現較佳，學生能夠將基礎科學之知識應用於奈米科技 之學習，並能激發學生之學習動機。 O'Connor 及 Hayden (2008)於大學化學課程中，針對大二及大四之學生利用 一整套之奈米科技教學模組進行12 小時之教學。其教學方式以演講為主，並配 合DVD 的觀看。在教學過程中，授課教師將每個重要的奈米科技概念融入化學 課程中，並指出在日常生活中與化學概念中的應用。該研究之結果顯示，62%的 學生認為將奈米科技融入分子等概念是有趣的；69%的學生對於未來若有機會進 行奈米科技相關之發表或報告是有自信的；62%的學生對於未來往奈米科技之相 關技術研究示有興趣的。 蔡明容 (2005)利用一系列之奈米科技教學模組及相關實驗教材進行教學，以 探討對於國小五年級學生在科學過程技能、科學態度及批判思考能力之影響，研 究結果顯示接受「奈米科技教學模組」教學的實驗組學生，在「自然科過程技能 測驗」、「在自然科學習態度測驗」、「自然科批判思考能力測驗」的得分顯著高於 一般教學模式(依照課本指引)之控制組學生。 楊清智 (2012)利用 5E 學習環之教學策略設計奈米科技教學活動。5E 學習環 之教學策略包含參與(engagement)、探索(exploration)、解釋(explanation)、精緻 (elaboration)、評鑑(evaluation)。該研究之目的為了解國小五年級學童對於奈米科 技概念之學習特色。該研究利用半結構式的晤談，進行以質化為主、量化為輔之

10 研究。研究結果顯示經過5E 學習環之奈米科技教學活動後，學生能夠建立奈米 的基本概念，科學態度亦優於教學前。 陳沅、曾國鴻 (2005)針對台南、高雄縣市 1852 位國小高年級學生探討對奈 米科技熟悉程度、學習需求並研究奈米科技新知的基礎知識融入國小高年級課程 的可行性。採用量化為主、質化為輔研究之方式，該實驗將研究對象分為實驗組 與控制組兩組。實驗組主要為每週在自然課進行一節奈米科技新知課程，控制組 則進行傳統之自然課程內容。研究結果顯示，實驗組學生對奈米科技新知的學習 需求與融入課程意願未比控制組高；而參與研究之學生有60%願意透過適當方式 學習奈米科技。 由於奈米科技為一新興科技議題，因此針對中小學課程內容的開發方面，需 特別考慮學生之學習能力與心智發展歷程。Stevens、Sutherland 與 Krajcik (2009) 指出，美國NSF(National Science Foundation)於 2006 年至 2007 年間，邀請奈米 科技等相關領域之權威科學家、工程師、科學教育學者等，共同於一系列的工作 坊中，討論出適合中學生至大學生之九大奈米課程概念。奈米科技教學之九大概 念分別為尺度大小(size and scale)、物質結構(structure of matter)、力與交互作用 (forces and interactions)、量子效應(quantum effect)、量子效應(size-dependent properties)、自組裝(self-assembly)、工具與儀器(tools and instrumentation)、模型 與模擬器(models and simulations)、科學科技與社會(Science, technology and society) (Stevens, Sutherland, Schank, & Krajcik, 2007)。奈米科技所包含之概念較 為抽象，因此，於中學進行奈米科技課程時，必須以實體模型或具體事物、活動 的呈現，並進行探究式之學習歷程，以讓中學生理解抽象概念。Hingant 與 Albe (2010)等人針對奈米科技教學進行相關文獻回顧時指出，許多科學教育學者認為 在發展奈米科技教學時會引起爭論，因為科技發展與社會問題是密不可分的，在 發展科技時需兼顧社會層面之思考，以免對社會引起衝擊。他們認為，為中學生 進行奈米科技教學課程是有趣的，可使學生具有奈米科學的素養，並且讓學生探

11 索對於未來往奈米科技發展的可能性。 參、 數位學習、學習動機與奈米科技教學 近年來，由於資訊科技之發達，許多學習場域，正規學校、非正規學校、企 業界等紛紛風行將資訊科技融入教學。而廣義之數位學習包含透過網際網路、 CD、DVD 等多媒體教材進行學習。建構一個優質的奈米科技課程是重要的，將 數位學習工具應用在奈米科技課程中，將能夠使學習者容易接收到奈米科技相關 概念的訓練課程與機會(Malsch, 2008)。因此，若能夠建構一個針對中小學生設 計之奈米科技教材，將能夠增加學生對於奈米科技學習的機會。本小節將探討透 過數位學習工具進行奈米科技教學、學習動機之相關實驗研究。

Burns (2007)利用學習管理系統(Learning Management System, LMS)為 150 位 澳洲地區不同學校之大學生及7 位教師共同進行奈米科技之線上教學，在線上課 程中，學生必須發表意見，以及在線上報告對於奈米科技概念之了解程度。研究 結果顯示，線上學習環境中，學習者與教師間可隨時隨地進行學習，並且互相分 享學習心得、內容等。

Jones 等人(2004)利用遠距遙控原子力電子顯微鏡(Atomic Force Microscopy, AFM)之方式，針對 209 位美國北卡羅萊納州(North Carlina)之中學生於自然科學 課程時，進行透過3D 影像與掃描裝置，讓學生實際以遠距遙控之方式操控電子 顯微鏡，以了解學生對於病毒及奈米尺度的理解與認識。該研究結果顯示，學生 對於奈米尺度大小之相關概念，在課程前、後有顯著之差異，同時，科學態度在 課程進行後較佳。運用資訊科技配合動手操作融入教學，能夠增進學生之自然科 學學習經驗與對於奈米概念之學習動機。 洪國展 (2010)針對國小六年級學生探討運用資訊科技進行奈米科技教學，將 研究對象分為資訊科技教學與傳統教學兩種，對不同學習能力學生在奈米科技之 學習動機與學習成就的影響。在資訊教學組的部分，主要教學媒體為研究者自製

12 之教學簡報與由奈米國家型人才培育計畫所開發之教學動畫；傳統教學則以紙本 之教材為主。其研究結果顯示，學生較容易接受以資訊科技融入教學之方式學習 奈米科技，學習成就表現較優異；不同學習能力水準學生、不同教學法間與學習 成效、學習動機表現有交互作用影響。而在資訊科技影響奈米科技學習動機的研 究發現，學習動機太高與太低，對於奈米科技學習成效皆無顯著差異。 蔡鳳娥 (2006)針對台中市國小六年級學生，將不同之資訊科技融入奈米科技 教學方式進行教學，以探討學生在奈米科技學習之學習成效以及對奈米科技學習 之知覺。該實驗採用準實驗研究法，不同之資訊科技融入方式分別為教師指導組 與學生操控組，其研究結果為經由教師指導的資訊科技融入教學學生在奈米科技 概念學習成效檢測題得分比自行操控的得分高，且差異達顯著效果；學生操控組 在學習動機及學習信心的感受較教師指導組佳，且差異達顯著；不同性別對於奈 米科技之學習動機與信心感受並無差異。 邱文正 (2008)探討將 ARCS 動機模式之融入對於國小五年級學生學習奈米 科技之影響。ARCS 動機模式為 Keller (1983)所提出，其理論為提升學習者之學 習動機主要有四個要素，分別為注意(attention)、相關(relevance)、信心(confidence)、 滿足(satisfaction)，ARCS 動機模式為一連串之策略，藉以提升學習成效。在學習 者之學習過程中，先引起學習者之注意、興趣，其後提出與學習者個人相關之案 例、人、事、物等，使學習者對於學習之內容有所信心，之後學習者便能夠在學 習任務完成後充滿滿足感或成就感。在此實驗中，106 名學生隨機平均分配至動 機模式組與傳統教學組兩組。動機模式組之教學方式除講述、板書外，配合相關 影片之播放、日常生活實例舉例、教具、模型、小組討論等不同方式進行課程； 傳統教學組僅有講述、板書等教學方式。其研究結果為，利用動機模式融入奈米 科技教學，學習成效、學習動機優於傳統教學方式融入奈米科技教學，且差異達 顯著效果。另外，不同教學方式與不同性別在奈米科技概念學習成效檢測題上的 得分表現之交互作用未達顯著。

13 由本節之文獻探討顯示，現今在奈米科技教學之研究大多以行動研究為主， 且較偏向於傳統一般之教學方式，以不同的教學策略進行教學。而在數位學習融 入奈米科技教學方面，此類之研究論文較為缺乏，且大多為針對教學方式之研究， 且著重於學習表現、成效之討論。本研究將拓廣奈米科技教學之研究範疇，探討 奈米科技數位學習教材之設計，並將研究重點放在奈米科技學習自我效能及學生 的自我調節能力是否有所改變，亦即將數位學習中的教材設計原則與動機因素相 結合。

第二節、 多媒體認知學習理論

在數位學習相關之研究中，多媒體認知學習理論廣為人知，對於數位教材之 設計更提供了許多參考方針，因此，為了解數位學習教材之相關設計原則，本節 將對多媒體認知學習理論進行文獻探討。同時，針對研究主題之一，信號原則， 進行詳細之討論。 壹、 多媒體認知學習理論的相關定義 數位學習教材中的一些特色，例如，新奇有趣的使用者介面、動畫等之設計， 對於激發學習者的學習動機是有幫助的(Malone & Lepper, 1987)。然而，在數位 學習教材中，內容的設計是很重要的。在多媒體學習環境中，設計符合使用者習 慣的數位學習教材之相關原則已逐漸受重視，也有許多相關之研究(Austin, 2009)。

一、多媒體認知學習理論之三個假設：

Mayer (2001)綜合各家學者之觀點，提出多媒體認知學習理論(cognitive theory of multimedia learning, CTML)，一個成功的多媒體學習環境，必須協調與 監控多媒體認知學習理論的相關歷程。在多媒體學習中，包含三個假設，分別為 雙聲道假設(dual channels)、有限能力假設(limited capacity)及主動處理假設(active

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processing)，三個假設整理如表 2-1。第一個假設為雙通道假設(dual channels)， 此假設與Paivio (1986)所提出之雙碼理論(dual-coding theory)有相關，雙碼理論認 為在資訊處理歷程中，人的心智結構會接收兩種不同型式的資訊，包含文字表示 式(verbal representation)與圖像表示式(imagined representation)。雙通道假設指的 是人類在處理訊息時，會經過兩種不同的通道處理視覺及聽覺訊息，此兩種通道 為視覺通道及聽覺通道。視覺通道主要為透過眼睛傳遞螢幕上的文字、圖片、動 畫與影像等視覺訊息(Clark & Paivio, 1991)；聽覺通道則是透過耳朵傳遞聲音、 旁白等聽覺訊息。圖2-1 為多媒體學習中，雙通道之處理歷程。當人類在進行多 媒體學習時，會將外在的動畫與旁白訊息同時接收至不同的工作記憶通道中，包 含視覺與聽覺通道，進行消化吸收，之後影響學習者之學習表現。

圖2-1 多媒體學習中的雙聲道處理歷程 (改編自 Mayer & Moreno, 1998)

第二個假設為有限能力假設(limited-capacity)，有限假設能力源自於 Baddeley 的工作記憶理論(Baddeley, 1992, 1999)及 Sweller 等人提出的認知負荷理論 (Chandler & Sweller, 1991; Sweller, 1999)。人類在處理每個通道的訊息時，一次 只能接收到有限的訊息量。例如，當一個人在看圖片或動畫時，一次只能在工作 記憶中捕捉到幾張圖像，無法一次記住全部的圖像。研究者發現，一般人平均能 夠記憶的位元大約為 5~7 位元左右，依每個人不同的狀況而有所不同(Baddeley, 1992)。 第三個假設為主動處理假設(active-processing)。當人類進行認知歷程中，會 主動與過去的經驗結合，建構具有一致性的心理表徵(Mayer, 2008; Wittrock, 1989)。人類會尋求有意義的多媒體呈現表徵，因此，會主動處理一些認知歷程，

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如選擇、注意、組織新的資訊，並且將長期記憶(long term memory)中的知識與 新的資訊結合，同時，帶入工作記憶(working memory)中，不斷的重複執行(Mayer, 2001)。在此假設中，Mayer (2001)提出三個多媒體學習環境中的認知歷程：選擇、 組織與融合。選擇指的是學習者會在展示的教材中，選擇相關的文字或圖片進入 至文字的或視覺的工作記憶中，此歷程包含在認知系統中，從外界帶入相關資訊 至工作記憶中。當選擇完成後，便會進行組織，學習者將選擇之文字或圖片建構 文字或視覺的心智模型或相關架構，此歷程發生在認知系統中之工作記憶。第三 個歷程為融合，當組織完相關的文字或圖片後，學習者會與已存在於長期記憶中 的知識、先備知識等相結合，並帶入工作記憶中。例如，在一個演示熱氣流上升 過程的多媒體教材中，學習者將注意特定的文字與圖像，並排序熱氣流上升的前 因後果等流程，以及結合與先備知識相關的步驟。 表2-1 多媒體學習理論的三個假設 (Mayer, 2001) 假設 解釋 相關文獻 雙通道假設 人類會透過兩種不同通道接收訊息，分 別為視覺通道(眼睛)與聽覺通道(耳朵)。 Paivio, 1986; Baddeley, 1992 有限能力假設 人類一次所能接收到的訊息量有限。 Baddeley, 1992;

Chandler & Sweller, 1991 主動處理假設 當人們在進行認知歷程時，會主動與過 去經驗結合，建構一致性的心理表徵。 Mayer, 2008; Wittrock, 1989 二、12 個多媒體學習教材設計原則 以多媒體學習理論的三個假設為基礎，Mayer (2001)提出 12 個多媒體教材設 計的原則。其中，有5 個原則主要在於減少外在處理歷程(extraneous processing)， 3 個原則為管理學習中的必要歷程(essential processing)，4 個關於衍生歷程之原 則(generative processing)。表 2-2 為多媒體教材設計之 12 個原則相關整理。 外在處理歷程指的是在學習過程之認知歷程中，學習者接收到與學習目標無 關之事物，如獲得與學習內容沒有相關的資訊、廣告等，或是會讓學習者感到困

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惑、受干擾的課程內容。Mayer (2001)提出 5 個避免累贅問題所產生的認知過載 的解決原則，分別為連貫性原則(coherence)、信號原則(signaling)、累贅原則 (redundancy) 、 空 間 接 近 原 則 (spatial contiguity) 與 時 間 接 近 原 則 (temporal contiguity)。 連貫性原則指的是在多媒體學習教材中，刪除多餘的文字、聲音與圖片，例 如，在多媒體學習教材中，會出現一些有趣、會引起動機，但卻與學習內容無關 的小短片、照片、背景音樂等，這些將會造成學習上的負荷過重。在多媒體學習 中，多餘的學習內容將會在與工作記憶中的認知資源相抗衡，並從主要應學習的 內容中轉移注意力，干擾組織學習教材的歷程，使得學習者很容易學習到錯誤的 觀念或是偏離學習主題。 信號原則為在多媒體學習課程中，標示重要的文字與圖片。Mayer (2001)認 為，當提示、信號出現在多媒體教材中時，學習效果較佳。例如，在一個演示飛 機如何起飛的教學動畫中，可以將信號設計加在演示的句子中，旁白之語調亦可 加強，以強調關鍵字。信號設計能夠直接導引學習者至課程中重要的部分，並建 立每個關鍵重點的連結性或相關性，以減低學習者外在搜尋的歷程。 累贅原則指的是刪除描述性動畫、多媒體教材中，不必要的處理歷程說明文 字或字幕。多媒體學習教材中的累贅，由於同時有太多的圖片與文字出現在同一 個螢幕上，造成的不必要的外部處理歷程，使得視覺通道的負荷過重，學習者必 須分散額外的注意力進行嘗試、視覺搜尋、聆聽旁白及尋找相對應的說明文字。 若將字幕減少、縮短，提前呈現說明文字，將可減少視覺通道的負荷，消除累贅 所造成的外部處理歷程。 空間接近原則，在同一頁面中，將相關或相對應的文字與圖片擺在附近或加 上連結，藉以彼此參照。例如，在展演閃電過程的教材時，將動畫中的說明放在 相關的圖片旁。此原則可協助學習者在同一時間，有足夠的能力處理工作記憶中 所接收到的訊息，降低對於外在認知資源的搜尋。空間接近原則使用的最佳時機

17 為學習者對於教材不熟悉、教材中僅有圖表之呈現或學習內容過於複雜，無法完 全說明學習內容時。 時間接近原則，同步呈現相對應的文字與圖片。例如，在一個介紹閃電的動 畫中，學習者看到畫面的同時，會聽到相對應的聲音或旁白。當相對應的旁白及 動畫同時呈現時，學習者便更加能夠有能力於同一時間在工作記憶中，建立心理 中語言與視覺表徵的連結。時間接近原則較不適合使用於連續性(一連串/ 一系 列)及小部分連續性呈現或由學習者控制的課程中。 必要處理歷程負荷指的是當教材內容的核心本身是複雜的、學習者從未接觸 過的，或教材呈現的步調過於快速時，會使得學習者較難以有能力進行深入的課 程。必要處理歷程為學習者領悟、吸收學習內容的重要步驟。若學習者在此歷程 中專心一致，可將接收到之知識轉化到工作記憶中，甚至存於長期記憶中解碼。 Mayer (2001) 提 出 3 種 解 決 必 要 處 理 歷 程 負 荷 之 方 法 ， 分 別 為 分 割 原 則 (segmenting)、事前訓練原則(pre-training)、形式原則(modality)。 分割原則，將課程依據學習者的步調分割成一小部分、一小部分，以取代連 續、過於龐大的學習元件。若一次呈現過多、過於冗長的、快速帶過的學習內容， 會使得學習者無法在短時間內吸收。此原則適用於解釋過於複雜、步調過於快速、 學習者較陌生的學習內容。 事先訓練原則，在進行課程之前，先針對課程中重要的專有名詞或概念講解 與說明。事先訓練可幫助學習者減低在必要處理歷程中所受到的干擾，在事前先 熟悉學習時會遇到的重要概念。事先訓練原則適用於當學習教材過於複雜、且對 學習內容不熟悉時。 形式原則，在展演課程時，口述文字之形式較印刷文字之學習效果佳。當動 畫與螢幕文字同時出現時，所有的認知系統皆通過視覺通道，使得視覺系統負荷 量過載。若將螢幕文字以口述文字(旁白)取代時，將使視覺負荷量降低。螢幕文 字較適用於具有技術性的學習內容或符號說明、非母語學習者、聽障生等對象。

18 衍生歷程指的是在學習過程中能夠針對學習內容有所了解，並能夠知道接下 來所要學習的內容架構，與瞭解整個學習架構，同時與先備知識相結合。而增加 衍生歷程是重要的，在多媒體學習中，增加衍生歷程之方式可為多媒體原則 (multimedia)、個人化原則(personalization)、聲音原則(voice)、圖像原則(imagine)。 多媒體原則指的是文字加上圖片之呈現方式比僅有文字之呈現方式較佳。當 文字與圖片同時呈現時，學習者能夠同時接收到口語與視覺訊息，並從中建立連 結，此原則適用於低知識學習者。個人化原則，以對話方式呈現學習內容，較平 鋪直敘的呈現方式佳。聲音原則則是人聲的呈現較機器語音佳。圖像原則為若螢 幕上出現講課者的影像，對於學習效果幫助不大。 學習者在進行多媒體學習時，常會產生搜尋或不知學習內容為何的困惑。為 減低學習者使用教材時的困擾，本研究將採用多媒體認知學習理論中之信號原則， 以了解在數位學習教材中，透過信號原則，對於學習效果是否有所影響。 表2-2 多媒體認知學習理論的 12 個原則 (改編自 Mayer, 2001) 減少外在處理歷程之原則 原則 解釋 連貫性 刪除外在之文字、圖片、聲音，以幫助個人學習表現。 信號 增加提示，標示教材中重要的部分，幫助學習者的學習。 累贅 學習者對於圖片加旁白比圖片加旁白與字幕之學習成效較佳。 空間接近 相對應之文字與圖片放在附近比相離很遠之學習效果佳。 時間接近 相對應之文字與圖片同步呈現比依序出現更能幫助學習。 管理必要歷程之原則 分割 當多媒體課程分割成小部分，使用者較能夠控制小部分的學習內容。 事先訓練 學習活動開始前，先讓學習者了解課程中的主要概念、名詞，能夠增進學習表現。 形式 口述性文字較印刷文字佳。 增加衍生歷程之原則 多媒體 文字與圖片並行排放比只有文字之學習方式學習效率佳。 個人化 對話式學習內容較平鋪直敘佳。 聲音 人聲旁白較機器語音旁白佳。 圖像 講課者的影像放在螢幕上對於學習成效幫助不大。

19 貳、 信號原則 信號原則為多媒體學習理論中，Mayer (2001)所提出之 12 個多媒體學習教材設計 原則其中之一。本研究將探討在數位學習教材中，具有信號之設計，能否提升學 生之學習成效與學習動機因素。本部分首先介紹信號原則之相關定義與設計方式， 其後，針對多媒體學習教材中之信號原則相關文獻回顧、實徵研究進行探討。 一、信號原則介紹： 信號原則為解決多媒體教材中，外在處理歷程負荷方式之一。在教材中加入 提示，以引導學習者之注意力至學習內容中重要的部分。Mayer (2001)依教材呈 現的方式，將信號設計分為兩種形式，分別為言語信號設計與圖片信號設計。言 語、文字信號設計主要有四種方式，大綱(outline)、標題(heading)、語調加強(vocal emphasis)、編號文字(pointer words)。大綱式之語句、文字內容可為一個課程的 開場白，將欲介紹的學習內容做統整性的介紹；例如，在介紹飛機起飛的課程中， 首先進行大綱式的說明，說明飛機起飛會受機翼形狀、空氣氣流、空氣氣壓等因 素影響。標題則為將關鍵字、重點擷取出來，做一個總的主題，透過標題，讓學 習者對於學習內容一目了然。例如，可將一段介紹飛機受機翼因素影響起飛的文 字下一個標題，「Wing shape: Curved upper surface is longer」 (機翼形狀：上方的 曲線表面較長)。語調加強指的是在搭配教材呈現的旁白中，將關鍵字或重點加 強語氣、聲音加大或放慢速度。

圖片信號設計則可吸引學習者之注意力至圖片中特定的部分。圖片信號設計 主要有五種方式，分別為加入箭號(arrows)、識別色彩(distinctive colors)、閃爍 (flashing)、指向手勢(pointing gestures)與漸淡(graying out)。箭號可配合旁白，將 箭號指向圖片中欲說明之部分。識別色彩則可將要說明的部分以不同的顏色區別 或突顯。閃爍亦可加在圖片中特別要強調的部分。指向手勢之功能類似箭號，可 透過手指指向系統中說明的部分。在同一個頁面的學習內容中，除了正在說明的

20 部分外，其他部分以灰色、淡色之方式呈現，藉以保留學習內容全貌，亦可強調 正在講解的部分，並減少干擾。 信號設計對於學習成效的影響，各有正反面的說法。Mayer (2001)指出，依 據訊息傳遞的觀點來看，有部分學者認為信號設計對學習是沒有幫助且不必要的， 由於增加信號，將可能擾亂學習者之學習，被視為一種累贅。然而，在知識建構 的觀點來看，信號設計可指引學習者該如何注意學習教材中重要之處(選擇歷程)， 並將課程中關鍵的部分進行內在組織。若數位教材中無信號之設計，將可能無法 帶學習者進入合適的認知歷程，容易使學習者尋求外在的認知歷程，例如，從外 部資源中重新組成知識。信號可減少外在處理歷程，提供提示指引學習者的注意 力、選擇性，從中進入教材中重要的部分，以了解課程中連貫性的架構，及組織 知識。 二、信號設計在多媒體學習中的相關實驗研究 學習者在閱讀數位教材中的文字時，通常會調適其閱讀習慣，例如詳讀、略 讀、挑選個別文字閱讀等，這些閱讀習慣無法進一步促進有意義的學習，並且將 導致大量記憶力減低。若想在數位學習環境中，增加有意義的學習，數位教材設 計者必須考量到學習主題、學習重點、關鍵語句、是否需放摘要、索引等，此時， 信號設計便是減低外部處理歷程策略之一(Sung & Mayer, 2012)。

信號設計在數位學習系統中可協助學習者檢視課程中最重要的部分，並且利 用提示、工具等識別相關資訊(Sung & Mayer, 2012)。Sung 與 Mayer (2012)的研 究中，將5 種不同之信號設計方式設計於一個 17 頁內容之數位學習系統中，其 課程主要內容為「了解遠距學習：理論與實務」。其5 種信號設計方式包含標記 最重要的內容、依據內容重要性設計大綱、在每個子區塊中摘要資訊、設計階層 式的意義結構、設計可直接顯示選單的頁面。

21 來。依據內容重要性設計大綱規模，在每個標題下設計預計之課程大綱，分成不 同的課程子區塊，將相對應的子區塊排放於大小標題下，並將標題文字放大，以 強調具重要性的內容。在每個子區塊中加入摘要資訊，將每個子區塊加入摘要， 當滑鼠移過標題時，會顯示該區塊欲介紹的課程摘要，使學習者能夠依據摘要選 擇要閱讀的部分。設計階層式的意義結構，在教材中設計關鍵字索引，依字母順 序或出現順序排列，讓學習者可隨時自行選擇要學習的頁面。設計開放式的頁面， 一開始在學習頁面中放關鍵字或關鍵句，當移過滑鼠或點擊時，會直接呈現可用 的摘要資訊。Sung 與 Mayer (2012)將上述具信號與引導設計之數位學習課程實 際施測於南韓122 位大四學生，依不同類型設計之數位學習課程，將樣本分為四 組，分別為具引導設計(navigational aids)與信號設計組、引導設計組、信號設計 組與控制組(無任何設計)，以了解在數位學習教材中加入引導設計與信號設計對 於學習系統之易用性是否有所影響。研究結果顯示，加入引導與信號設計之組別， 其對於系統之易用性有所提升，同時，學習表現也較佳。而信號設計組有較高之 使用滿意度，並且與記憶測驗的成績有高度的相關性。研究者指出，數位學習教 材中之引導與信號設計對於學習者經驗與學習成果有正向影響，由於學習者可了 解到更明顯的課程架構及減少引導上的困擾，因此對於學習過程中之認知歷程、 學習經驗有所幫助，並增加對於課程的滿意度。

Dillon 與 Jobst (2005)認為在超連結(hypertext)學習環境中，學習者容易迷失 方向，因為無法看到完整的課程架構，因此，若在超連結學習環境中應用信號設 計原則，提供學習者能夠立即了解整個課程架構的空間，將可解決迷失方向的問 題。Naumann、Richter、Flender、Christmann 及 Groeben 等人 (2007)就 Dillom 與Jobst 提出之觀點，進行實驗研究。提供 504 個參考資料之超連結，供德國大 學之學生閱讀參考，並依據參考資料完成相關論文報告。實驗共分兩組，一組為 無信號設計組(僅陳列超連結)，一組為信號設計組(將超連結依參考資料內容分類， 並設計階層架構)。研究結果顯示，有信號設計的組別表現較佳，能夠寫出切中

22 要點的論文報告。由此可知，以有組織的方式表現信號設計可幫助學生深入理解 超連結課程中的內容(Naumann et al., 2007)。 Hegarty、Kriz (2007)以及 Mautone、Mayer (2001)的研究顯示，在無旁白的動 畫教學影片中，加入信號中之箭號設計，對於馬桶如何沖水原理之學習無影響。 研究者指出，數位學習教材中之視覺信號設計對於學習者之學習成效並無正向影 響亦無幫助。Atkinson (2002)的研究中發現，視覺信號設計對於學習有幫助的情 況：在一個線上數學課程中利用旁白進行解題過程，同時，在螢幕中加上指向手 勢並配合旁白進行解題過程，可讓學生更加專注於學習，並且學習效率較佳，表 現也較好。Jeung、Chandler 與 Sweller 等人 (1997)利用線上課程進行數學幾何問 題的教學，該數位教材內容包含口述旁白及顯示於螢幕上之例題。研究者將幾何 圖形之解說部分以閃爍圖示(信號設計)，研究結果顯示，具有信號設計的組別， 在問題解決能力與學習表現上，均較無信號設計之組別佳。 信號設計必須簡潔有力，並且切勿過多，過於冗餘之信號設計反而造成學習 上之困擾(Mayer, 2001)。使用信號設計之教材設計對於低技能之閱讀者比高技能 之閱讀者有顯著的進步效果(Naumann et al., 2007)。由此可見，高技能之閱讀者 有能力藉由調整其閱讀策略以彌補零散的學習內容。Jeung 等人 (1997)指出，當 教材內容過於複雜或零散無組織時，使用信號設計是最佳時機，會使學習較有效 率。 李立彬、曾世綺 (2010)，利用信號提示及反思設計探討國中八年級學生對於 物理這門科目直線運動單元中之「位移及速度」、「加速度」概念之學習影響。在 該實驗中，共分成四組，分別為提示信號+使用者自行控制反思設計組、提示信 號+電腦控制反思設計組、無提示信號+使用者自行控制反思設計組、無提示信 號+電腦控制反思設計組。其研究結果顯示，在「位移及速度」的概念中，具信 號提示設計之教材對於學生之學習成效並無顯著影響；而在「加速度」的概念中， 具信號提示設計之教材能夠提升學習成效。研究者認為，由於「加速度」的概念

23 較「位移及速度」之概念複雜，且具有許多關於「移動」的概念，對於國中學生 而言，較不易理解。因此，由此可見，在數位學習環境中，信號提示之設計適用 於複雜、不易理解之概念教學。 參、 多媒體認知學習理論、信號設計對動機因素影響之相關實驗研究 多媒體認知學習理論主要著重在探討多媒體課程設計與學習者之學習歷程 所產生的關聯與影響性(Low & Jin, 2009)。在傳統的多媒體學習理論研究中，時 常探討認知因素等相關議題(Astleitner & Winsner, 2004)，然而，動機因素卻不常 被討論於多媒體學習理論中。目前的研究中，關於多媒體學習理論與動機因素的 相關研究，大部分為文獻探討、模型討論等，較少見相關之實驗研究(Low & Jin, 2009)。在多媒體學習環境中，動機扮演著重要的角色。有研究指出，多媒體學 習對於學生之學習有正向之幫助，可增加學習動機、激發學習興趣並增進學習表 現(Bernard et al., 2004; Low & Jin, 2009)。也有學者指出，雖然在多媒體學習環境 中可讓學生更加主動於參與學習活動，但學習成就不盡然完全有進步(Clark & Feldon, 2005)。為了盡可能使學習者的學習經驗更加完美，Low 及 Jin (2009)認為 將動機因素融入多媒體學習資源之發展時，必須有以下五個考量：1.理論發展； 2.動機因素及多媒體教學設計；3.學習者特質；4.自我調節學習策略及產生動機 的練習；5.評鑑動機要素在多媒學習資源的品質。在數位學習環境中，當影片(包 含有動態圖片、鮮艷色彩之圖像等)展示於多媒體學習環境時，學習者的學習動 機可增加，害怕學習不到東西的機率變低。一個好的多媒體學習教材能夠增加學 習者的自我效能與興趣等動機因素(Astleitner & Winsner, 2004; Meluso, Zheng, Spires, & Lester, 2012)。

Hahne、Benndorf、Frey 與 Herzig (2005)，利用電腦輔助學習(computer-based learning)對醫學院學生進行學習態度與學習動機的調查。研究結果顯示，在課程 進行初期，學生對於電腦輔助學習的環境充滿興趣，並對於課程學習持正向態度，

24 然而，當課程快結束時，學生之學習動機卻不高。同時，學生之學習表現與本身 之先備知識有相關，與電腦輔助之運用並無相關。由此可見，電腦輔助學習環境 對於學習動機之喚起是有效的，然而，對於學習內容之吸收與消化之效果是有待 商榷的。 Hwang、Wang 與 Sharple (2007)，在多媒體學習中，利用注釋工具進行對於 動機的影響研究。其研究分為兩組，實驗組為具有注釋工具之多媒體學習教材， 控制組則不具有注釋工具。研究結果顯示，具有注釋工具之組別在學習動機上較 控制組高。然而，後測成績兩組卻無顯著的差異。研究者指出，課業學習表現與 學習者想要學習的動機有關，對於使用多媒體教材教學會影響學習表現，不見得 是必要的。

Hoskins 及 Van Hooff (2005)，利用網頁課程工具進行如何使用電子佈告欄的 教學，研究發現，對於高動機與課業學習能力佳的學生之學習較有幫助。該研究 建議，在超媒體學習環境中，學習動機與學習能力扮演著重要的角色，決定一位 學習者的學習表現。Reed (2006)建議，設計一個具有動機特色的數位學習教材能 夠讓學習者能夠維持主動學習的動機，讓學習者自行建構知識，控制學習歷程並 評鑑學習成效。 Zheng、Mcalack、Wilmes、Kohler-Evans 與 Williamson (2009)針對 222 位大 學生，調查在多媒體學習環境中，學習者對於多重選擇問題之認知負荷、自我效 能與解決能力是否有所影響。該研究之實驗共分兩組，實驗組為具互動式之多媒 體學習方式，控制組則不具互動式之多媒體學習方式。其研究結果顯示，在多媒 體學習環境中，提供學習者控制功能能夠減低學習者之認知負荷並且增進對於問 題解決的自我效能。自我效能在多媒體學習環境與問題解決能力間為一中介者， 多媒體學習環境會影響學生多重選擇問題的解決能力；而學生之自我效能亦會影 響學生多重選擇問題的解決能力，但影響有限。在互動式的多媒體學習環境中， 會減低學習者的認知負荷，且對於學習者之自我效能會有所影響，會增進學習自

25

我效能。

在數位學習教材中，增加引導、信號之設計等特色，可影響學習者參與之意 願(亦即學習動機)，並使學習效果較佳 (Sung & Mayer, 2012)。吳雪櫻 (2011)， 利用三種不同呈現形式之多媒體教材，分別為整體呈現、信號提示、分段呈現， 探討不同類型之多媒體呈現方式對國中七年級學生對於社會領域中之地理科氣 壓概念之學習成效、認知負荷及動機所造成之影響。該研究中所使用之多媒體工 具為簡報(Microsoft Power Point)，在研究中進行立即後測與延宕測。其研究結果 顯示，信號提示組與分段呈現組在立即後測的學習成效上，表現較整體呈現組佳。 而在延宕測中，分段呈現組之學習成效較佳。在認知負荷與動機中，整體呈現組、 信號提示組、分段呈現組皆無顯著的影響。另外，研究結果指出，當學生所感受 到的認知負荷量愈高時，學習者的學習動機較低。

在多媒體學習環境中，學習者的個性、特質與自我效能皆會影響學習表現 (Judge, Jackson, Shaw, Scott, & Rich, 2007)。設計一個能夠讓學習者主動維持有意 義的學習活動之數位課程教材是很重要的，越來越多的研究者發現到，在多媒體 教學中，動機為不可或缺的一部分，即使有許多關於此領域的建議，但卻少有實 驗研究，實施有系統的調查是有必要的，若能有更多研究者、教學專家投注於動 機議題在多媒體學習上的相關研究是有意義的(Low & Jin, 2009)。因此，本研究 將針對動機因素中之自我效能與自我調節進行多媒體學習中之研究，以了解多媒 體學習教材中之信號提示、回饋對於學習自我效能與自我調節學習策略是否有所 影響。

第三節、 回饋相關研究探討

回饋為本研究所探討的面向之一。在現今的回饋相關研究中，有許多關於回 饋與學習成效、學習表現之相關研究，但甚少有關於回饋對於動機影響之研究 (Narciss & Huth, 2006)。本節中，將首先介紹回饋的意義、類型與功能，其後進

26 行回饋在數位學習上之應用與相關實驗研究探討，以了解目前回饋在數位學習上 所扮演之角色。 壹、 回饋的意義、類型與功能 一、回饋的意義 回饋指的是外界對於個人行為所產生的反應訊息。一個學習者經過學習行為 後，所獲得之學習結果、成績、教師評語等，皆為回饋之方式(許廷祥，2009)。 回饋(Feedback)為個人所接收到針對其行動結果之訊息，其訊息包含實際成果表 現與期望成果之比較訊息。回饋對於學習者來說，是一種資訊傳遞的重要形式 (Tanes, Arnold, King, & Remnet, 2011)。回饋讓學習者了解個人在學習過程中的想 法、行為是否正確，並能夠檢視其學習成效是否有達到預設目標。當學習者獲得 正面或負面回饋時，將影響其再次學習之學習動機。當學習者獲得負面之回饋訊 息時，將減低該學習者之學習動機，並降低學習意願；抑或是反向激勵學習者之 學習動機，由此可見，回饋訊息對於學習者之學習行為與學習動機影響甚大(許 廷祥，2009)。回饋能夠使知識的學習及技能的獲得更加有意義(Tunstall & Gipps, 1996)。回饋是學習的核心，幫助學習者了解在學習歷程中的學習程度，並能夠 使之改正錯誤觀念、重建知識、支持後設認知歷程，進而增進學習表現與增強學 習動機。回饋提供資訊，讓學生了解如何改進想法與認知方式，為既定的學習目 標而調整學習狀況。回饋能夠促進學習者對於學習狀況的評估，適當的回饋可幫 助學習者提升學習成效(祝新華，2012)。 二、回饋的作用 回饋對於學習上的作用，有正向的，也有負向的，抑或是對於學習無作用 (Hattie & Timperley, 2007)。以下為回饋對於學習的主要作用：

1. 加強、修正學習：在學習過程中，當學習者接收到回饋訊息時，可協助學習 者強化或修正其學習模式或觀念，以引導至學習目標(Carlson, 1979)。

27 2. 縮短學習現況與學習目標的差距：回饋訊息可用來補足學習者的學習程度與 預 計 目 標 程 度 的 程 度 ， 以 讓 學 習 者 了 解 學 習 目 標 ， 進 而 彌 補 不 足 之 處 (Ramaprasad, 1983)。 3. 多元訊息通道：回饋可透過正式、非正式情境與學習者對話，如：教師、同 儕、書本、數位教材…等，具有多元性質，學習者可自行選擇不同的策略 (Askew & Caroline, 2000)。

4. 教學與評估的橋梁：回饋為學習評估的一種，能夠促進學習。其學習評估之 範圍包含學習者對於知識掌握與能力發展情況以及針對學習表現所給予的適 當回饋。當學習者或教學者獲得回饋後，能夠進行教學活動的調整，因此， 有學者認為，回饋為下個學習階段的開始，將之稱為前饋(feedforward)(Carless et al., 2006)。 在四個回饋對於學習的主要作用中，祝新華 (2012)指出，前期注重教學者對 於學習者的控制，後期注重學習者透過回饋，自行調整與建構知識。回饋必須要 能實現訊息作用、激勵作用、導向作用的三方面功能。訊息作用為學習者能夠發 現學習進度、學習成就、程度、現況與目標的落差、優缺點等。激勵作用則為回 饋必須能夠鼓勵學習者的動機、自尊、信念，增加自我效能感。導向作用對於學 生而言，讓學生發現自己的狀況與訂立目標的差距，必要時加以修正與改進，以 達到最佳學習效果；對教學者而言，能夠調整教學計畫，甚或依據學生的狀況， 重新調整學習目標，以精進教學能力(祝新華，2012)。 三、回饋的類型 在回饋類型的分類上，Dempsey 等人(1993) 依據情境與回饋內容，將回饋分 為五種型式，分別為無回饋(No feedback)、知識結果回饋(knowledge of results; KR) 、 正 確 知 識 回 應 回 饋 (knowledge of correct response; KCR) 、 詳 盡 回 饋 (elaborated feedback; EF)、再次嘗試回饋(try-again feedback)。學者 Shute(2008)根