資訊科技工具應用於中小學物理科教學之系統性文獻分析

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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：林美娟博士. 資訊科技工具應用於中小學物理科教學之系統性文獻分析 Use of ICT Tools in Teaching Physics in K-12 Schools: A Systematic Review. 研究生：陳榮慶撰. 中華民國 103 年 6 月.

(2) 摘要資訊科技工具應用於中小學物理概念教學之系統性文獻分析陳榮慶. 本研究旨在彙整與分析資訊科技工具應用於中小學物理概念教學之概況。研究者以系統性文獻分析法，從 6 個電子資料庫中收集 2000 至 2012 年間發表之相關文獻共 69 篇，而後針對這些文獻所報導的資訊科技融入物理科教學案例進行資料萃取，再將所萃取的資料依國別、教育階段、軟/硬體工具、物理概念做描述性統計的整體呈現。研究結果顯示，69 篇文獻中以美國教育研究機構所發表的篇數最多（17 篇）；資訊科技融入物理科教學主要集中在高中階段（34 篇）；以資訊科技輔助學習的 11 項物理概念中，運動學與電學兩者合計佔了超過半數（52.17%）的案例；物理教學所使用的硬體工具以桌上型電腦為主，另亦常見搭配周邊設備（例如探測器、攝影機、機器人等）使用的案例。在質性資料方面，本研究以教學中所使用的軟體為主軸，依其功能分為教學軟體（包含教導式、模擬式、練習式、遊戲式以及測驗軟體等 5 類）與工具軟體（包含 CSCL 軟體、概念地圖軟體以及資料分析軟體等 3 類）。分析結果顯示，在 8 個軟體分類中，模擬式軟體出現的比例最高（40.6%），主要用於模擬物理實驗過程或物理現象；其他如練習式軟體、遊戲式軟體、CSCL 軟體及概念地圖軟體亦散見不同的案例中。本研究另以美國科學促進會 (AAAS) 所制定之十三項「科學過程技能」分析案例中的學習活動，結果發現：在科學過程技能的培養方面，除了「實驗」技能之外，其餘十二項（諸如觀察、分類、應用數字、測量、傳達、預測、推理等等）均有對應的教學案例。所分析的 69 篇文獻同時顯示，資訊科技工具所支援的學習活動展現了「以學生為主」、「學生以自己的步調學習」、及「學生自行建構知識」等建構式學習理論所倡導的原則。. 關鍵字：資訊科技融入教學、物理科教學、系統性文獻評析、科學過程技能 i.

(3) Abstract Use of ICT Tools in Teaching Physics in K-12 Schools: A Systematic Review This study aims to compile and analyze the concepts of information technology (IT) tools used in physics teaching of primary and secondary schools. Researchers collected 69 relevant literatures through six electronic databases by systematic review during the period 2000 to 2012. Afterward, we involved the cases of physics teaching and extracted the information in the literatures of IT. This study performs the descriptive statistics by country, education level, hardware tools, software tools, and physical concepts. The result of this research indicates that, among 69 literatures, most of the articles are published by the United States of educational and research institutes (17); the major distribution of physics teaching that involves ICT is in high school (34). Among all the 11 physical concepts of ICT-assisted learning, over one-half (52.17%) of them are Kinematics and Electrical Science. The tools used by physics teaching is dominated by desktop computer, also, cases that use peripheral devices such as detectors, cameras, and robots are wildly seen. In terms of qualitative data, we take software that is wildly used in teaching as our major research target, and separate them as instruction software and software tools according to the functionalities. There are 5 types of instruction software, tutorial, simulation, drill-and-practice, games and tests. And there are 3 kinds of software tools, CSCL software, concepts of mapping software and data analysis software. The result indicates that, among 8 categories of the software, simulation software, mainly used to simulate the physical experiment or physical phenomena, has the highest proportion (40.6%), and other software (such as drill-and -practice software, games software, CSCL software and concept mapping software) also distributed in different cases. We also analysis the learning activities in the case studies through the 13 science process skills developed by American Association for the Advancement of Science (AAAS). The result shows that, within the development of science process skills, besides experiment skills; the remaining twelve skills (such as observation, classification, application numbers, measurement, communication, forecasting, reasoning, etc.) have corresponding teaching cases. The analysis of 69 literatures also shows that the ICT tools supported learning activities depict the principles raised by the constructivist learning theory such as "student-centered", "students learn at their own pace", and "students construct their own knowledge". Keywords: Integrating ICT into Instruction, physics instruction, systematic review, Science process skills ii.

(4) 謝誌三年過去，研究之路非常辛苦，尤其自己選擇了「質性研究」這條路。能完成本研究都要感謝林美娟老師三年來的指導，對於做研究完全沒有概念的我，在學習過程中可說是非常緊張。因為老師的領導方式，使得我們在做研究上的能力比別人都要踏實。當然，過程中儘管有非常多的挫折、不順遂，但老師都很有耐心地協助我、與我討論研究上需要注意的細節。也謝謝林育慈老師與邱瓊芳老師在口試時所給予的建議，使我的論文更趨於完整。在做研究的過程當中，要非常感謝秋良學姊與怡君學姊的幫忙，時常在我遇到瓶頸時給予適當的建議，使我的研究得以順利進行。也謝謝嘉玲學姊，在我碰到困難、疑惑的時候適時地給予建議，希望學姊的爸爸身體可以越來越好，不用讓你擔心，有需要幫忙儘管找我啦！而在這三年的旅程中，在 ESD 實驗室遇到了冠宇學長、阿丹學長、信育學長、郁雯以及文良，在我遇到挫折、困難的時候給我精神上的鼓勵，使我有力量堅持到最後。還有謝謝京翰，能順利進入到資教所以及畢業，都是因為你在旁輔助、給我加油打氣，希望你的也可以順利考上公務員並且達成你理想中的生活。家人更是重要，謝謝父母親以及弟弟妹妹在這段期間給我的鼓勵與支持。我們都一起度過人生中最痛苦的時期了，希望我們在未來的每一天都可以越來越好，越來越順遂。最後，要感謝家中所供奉的觀世音菩薩、九天聖母師尊、王禪老祖師尊，謝謝眾神在我研究所求學的過程當中，成為我心靈上非常重要的依託。希望未來能繼續在眾神明的庇佑之下繼續精進修行之路。. 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....................................................................................................... 1 第二節研究目的與重點........................................................................................... 2 第二章文獻探討........................................................................................................... 4 第一節資訊科技融入教學....................................................................................... 4 2.1.1 資訊科技融入教學的定義........................................................................... 4 2.1.2 資訊科技融入教學之相關統合分析研究................................................... 4 第二節系統性文獻分析法 (Systematic Reviews) ................................................ 6 2.2.1 系統性文獻分析法的重要性....................................................................... 6 2.2.2 文獻分析法的分類....................................................................................... 7 2.2.3 系統性文獻分析法 (Systematic Reviews).................................................. 7 2.2.4 系統性文獻分析法的研究步驟................................................................... 8 第三節教學軟體的分類........................................................................................... 8 第四節科學過程技能............................................................................................... 9 第三章研究方法......................................................................................................... 13 第一節研究流程..................................................................................................... 13 3.1.1 背景研究..................................................................................................... 13 3.1.2 文獻搜集與文獻資料萃取......................................................................... 13 3.1.3 結果分析階段............................................................................................. 14 第二節研究工具..................................................................................................... 14 第三節研究步驟..................................................................................................... 16 3.3.1 訂定研究主題............................................................................................. 16 3.3.2 篩選電子資料庫......................................................................................... 16 3.3.3 訂定資料庫搜尋準則................................................................................. 16 3.3.4 文獻搜尋與建立文獻資料庫..................................................................... 17 3.3.5 文獻篩選..................................................................................................... 23 3.3.6 文獻資料萃取............................................................................................. 26 3.3.7 文獻增補..................................................................................................... 29 iv.

(6) 3.3.8 資料分析..................................................................................................... 29 第四章研究結果......................................................................................................... 31 第一節文獻基本資料............................................................................................. 31 4.1.1 研究者所屬國別......................................................................................... 31 4.1.2 出版刊物..................................................................................................... 31 4.1.3 物理概念..................................................................................................... 32 4.1.4 教育階段..................................................................................................... 33 第二節資訊科技工具的分類................................................................................. 33 4.2.1 硬體............................................................................................................. 35 4.2.2 軟體............................................................................................................. 36 第三節使用資訊科技工具所培養的科學過程技能 ............................................ 41 4.3.1 教導式軟體................................................................................................. 41 4.3.2 模擬式軟體................................................................................................. 43 4.3.3 練習式軟體................................................................................................. 48 4.3.4 遊戲式軟體................................................................................................. 50 4.3.5 電腦支援協作學習軟體............................................................................. 51 4.3.6 概念地圖軟體............................................................................................. 52 4.3.7 資料分析軟體............................................................................................. 53 4.3.8 其他............................................................................................................. 56 第四節使用資訊科技工具對學習成就的影響 .................................................... 57 第五章結論與建議..................................................................................................... 59 第一節結論............................................................................................................. 59 第二節建議............................................................................................................. 61 5.2.1 教學實務..................................................................................................... 61 5.2.2 研究發展..................................................................................................... 61 參考資料....................................................................................................................... 62 附錄一. 69 篇資料文獻來源...................................................................................... 67. 附錄二. 資料萃取表................................................................................................... 75. 附錄三. 資料搜尋過程............................................................................................. 225. v.

(7) 附表目錄表 2-1 相關文獻整理表 ............................................................................................... 5 表 3-1 資料萃取表 ..................................................................................................... 15 表 3-2. EdITLib 搜尋結果統計................................................................................. 19. 表 3-3 被排除的非學術期刊以及與研究主題無關的期刊 ..................................... 24 表 3-4 進行全文篩選時所採用的排除準則 ............................................................. 26 表 4-1 文獻分類--依研究者所屬國別 ....................................................................... 31 表 4-2 文獻分類-依出版刊物 .................................................................................... 32 表 4-3 文獻分類-依物理概念 .................................................................................... 33 表 4-4 教育階段分類標準 ......................................................................................... 33 表 4-5 文獻分類-依教育階段 .................................................................................... 33 表 4-6 軟體名稱分類表 ............................................................................................. 37 表 4-7 物理概念與軟體應用 ..................................................................................... 40 表 4-8 文獻整理表（教導式軟體） ......................................................................... 43 表 4-9 文獻整理表（模擬式軟體） ......................................................................... 47 表 4-10 文獻整理表（練習式軟體） ....................................................................... 50 表 4-11 文獻整理表（遊戲式軟體） ....................................................................... 51 表 4-12 文獻整理表（CSCL 軟體） ........................................................................ 52 表 4-13 文獻整理表（概念地圖軟體） ................................................................... 53 表 4-14 文獻整理表（資料分析軟體） ................................................................... 55 表 4-15 文獻整理表（其他） .................................................................................... 56. vi.

(8) 附圖目錄圖 2-1 四種文獻分析法的質性/量性歸屬 (King & He, 2005, p.666) ..................... 7 圖 3-1 研究流程圖 .................................................................................................... 14 圖 3-2 在 Education Journals (ProQuest 系統)中勾選有關的期刊 ......................... 18 圖 3-3 在 ISI-Web of Knowledge 的搜尋介面勾選與研究主題相關的期刊......... 20 圖 3-4 勾選符合的教育階段 .................................................................................... 21 圖 3-5 匯入 EndNote 示意圖.................................................................................... 22 圖 3-6 Excel 資料庫示意圖 .................................................................................... 23 圖 3-7 一本針對 higher education 的期刊 ............................................................... 24 圖 3-8 全國期刊聯合目錄資料庫查詢介面 ............................................................ 27 圖 3-9 文獻搜集流程圖 ............................................................................................ 30 圖 4-2 硬體分類圖 .................................................................................................... 36 圖 4-3 軟體分類圖 .................................................................................................... 37. vii.

(9) 第一章第一節. 緒論研究背景. 電腦運用於教育 (computers in education) 的議題在 1980 年代初期即已受到普遍討論 (Pelgrum & Law, 2003)，很多國家也致力於資訊科技融入教學 (ICT Integration) 的推展，例如：荷蘭從 1990 年代中期，即積極在師資培育機構提供特殊設施，以期讓師培機構在資訊科技融入教育方面扮演先導者的角色 (Drent & Meelissen, 2008)；澳洲的新南威爾斯州在 2000 年初期即將學校資訊設備的建置及資訊應用能力的提昇列為重要決策，並透過 ‘Computers in Schools Plan’ 這個計畫的推展來提升幼稚園到高中階段各主要學科的學習成效 (Hayes, 2007)。台灣則在資訊教育白皮書中擬出多項與資訊科技融入教學有關的行動方案，例如：「行動方案 7：辦理資訊科技新知及教材教法工作坊」、「行動方案 16：建立各領域教師的資訊科技應用能力指標」、「行動方案 24：發展數位教學資源的素材」、… …等等，. 期望在 2011 年時，教師在教學時應用資訊科技的人數比例能從 35%提升至 90% （教育部，2008）。相較於傳統教學，資訊科技融入教學常見的優勢有以下幾點： (1) 易於達到適性化學習，例如 Liao and She (2009) 運用雙情境學習模式 (Dual Situated Learning Model) 於教材內容的設計，在學習過程中要求學習者答題並解釋原因，再依答題情況及所提供的原因，動態產生適合學習者的學習內容。 (2) 多媒體所具備的動態圖文特性，使其與傳統靜態圖文相較之下，更易於展現一些知識的特性。例如：藉由模擬軟體學習分子運動理論 (Kinetic Molecular 1.

(10) Theory)，學習者可在不同的溫度與壓力下觀察粒子的運動情形 (Stern, Barnea & Shauli, 2008)。 (3) 可支援一些有別於傳統課堂活動的學習活動，例如以電腦輔助合作學習軟體促進知識的討論與分享 (Tan, Yeo & Lim, 2005)，以概念圖 (concept maps) 工具促進學習內容的反思及連結不同概念間的關係 (Tan, 2000)。 (4) 可營造豐富的教學情境，例如：Gillen, Littleton, Twiner, Staarman and Mercer (2008) 以電子白板 (interactive whiteboard) 呈現預錄的教學影片，透過電子白板易於操弄媒體的特性支援 multimodal teaching 的教學情境。資訊科技融入教學對於提升學習成效儘管有眾多優勢，卻常遭遇推展上的困難，多數文獻都從學校因素（例如：所提供的技術支援）、教師個人因素（例如：年齡、教學年資、科技接受度）、以及相關設備是否足夠等去探討影響教師採取資訊科技融入教學的因素 (Inan & Lowther, 2010; Drent & Meelissen, 2008; Hayes, 2007)。為了在資訊科技融入教學方面提供融入方式的參考，本研究希望藉由系統性搜尋及分析資訊科技融入教學個案，經由眾多個案的分析結果指出資訊科技工具的使用情形，以及運用這些資訊科技工具進行了什麼教學活動。. 第二節. 研究目的與重點. 本研究之主要目的為系統性地搜集及分析 2000 年至 2012 年間，資訊科技工具運用於國小、國中、高中物理科概念教學的教學案例，以呈現資訊科技運用於物理科教學的現況，做為資訊科技融入物理概念教學的參考。本研究之研究重點 2.

(11) 為： (1) 針對本研究所收集的文獻所報導之教學案例，分析所使用的硬體並呈現硬體的分類結果。 (2) 針對本研究所收集的文獻所報導之教學案例，分析所使用的軟體並呈現軟體的分類結果。 (3) 針對本研究所收集的文獻所報導之教學案例，說明資訊科技運用於物理概念教學如何培養美國科學促進會 (AAAS - American Association for the Advancement of Science) 在一九六Ｏ年代所制定的 SAPA (Science - A Process Approach) 課程標準所提出的十三項科學過程技能。. 3.

(12) 第二章文獻探討第一節. 資訊科技融入教學. 2.1.1 資訊科技融入教學的定義根據 Pelgrum and Law (2003)，自 1980 年代初期電腦在教育的運用開始受到教育決策者的重視之後，代表這項科技的名詞演變大致有以下三個階段：（1）1980 年代初期稱為電腦 (computer)，強調的是硬體的運算能力；（2）1980 年代晚期稱為資訊科技 (IT - Information Technology)，強調的是資訊的儲存容量與存取能力；（3）1992 年左右，因電子郵件 (email) 這項網際網路應用的出現，資訊與通訊科技 (ICT - information and communication technologies) 一詞也隨之誕生。此外， Pelgrum and Law (2003) 也區分 ICT 在課程中所扮演的三種角色：（1）Learning about ICT: 將 ICT 視為一個學科；（2）Learning with ICT：在不改變既定的教學信念與方法之下，以 ICT 做為輔助教學的工具；（3）Learning through ICT: ICT 做為教學過程中必需具備的工具。國內研究者常以「資訊科技融入教學」一詞來代表 Learning with ICT 或 Learning through ICT 所描述的 ICT 在課程中所扮演的角色，也常以「資訊科技」一詞代表上述的 ICT。. 2.1.2 資訊科技融入教學之相關統合性分析研究國內外資訊科技融入教學之相關統合性分析研究相當多，研究的主題不盡相同（如表 2-1）。部分文獻針對單一資訊科技工具進行研究分析，如 Hwang and Wu. 4.

(13) (2012)的研究中針對遊戲式學習進行相關研究的統合分析、Jeng, Wu,. Huang, Tan. and Yang (2010) 針對手持式裝置進行文獻整理分析；另外也有針對兩種以上的資訊科技工具進行比較，如 Sauvé, Renaud, Kaufman and Marquis (2007) 的研究中分別整理出遊戲（Games）與模擬（Simulations）的特性並比較其差別。. 表 2-1 相關文獻整理表研究者（年代）. 研究內容針對七本期刊搜尋 2001 至 2010 年間「遊戲式學習」之相關文獻，探討遊戲式. Hwang and Wu (2012) 學習的使用對象、學科以及文獻數量的增減情形。 Jeng, Wu,. Huang, Tan. 針對「手持式裝置」相關文獻整理出其工具之優點、如何提升教學效果以及使用該工具教學時的教學策略。. and Yang (2010). 搜尋2000至2007年間「即時回饋系統」(Audience response systems – ARSs)之相 Kay and LeSage (2009) 關文獻，並整理出及時回饋系統的優點，及使用該工具時所帶來教學上的挑戰。針對「Web-based」教學相關文獻整理出6大類學習模型 (Learning Models)以及 Lin and Hsieh (2001) 其在學習活動中教師與學生的使用方式。針對11個電子資料庫搜尋1999至2009年間「虛擬實境」相關文獻，探討過去虛 Mikropoulos and Natsis 擬實境工具使用於哪些科目、分析虛擬實境工具的特性及功能並整理出過去教 (2011) 學個案所提及的教學理論。 Sauvé, Renaud, Kaufman. 針對10個電子資料庫搜尋1998至2007年間「遊戲」、「模擬」相關文獻，並分別. and Marquis (2007). 整理出遊戲（Games）與模擬（Simulations）的特性。. Rutten,. Joolingen. and. 針對三個電子資料庫進行「電腦模擬」應用於自然科與數學科的相關文獻搜尋，. Veen (2012). 整理出電腦模擬如何提升傳統課程以及實驗室課程的教學成效。. Wu, Wu, Chen, kao, Lin. 針對九個電子資料庫進行「手持式裝置」應用於教學中的相關文獻，並整理出. and Huang (2012). 文獻的年份、研究目的以及教學成效之分佈情形。. 檢視這些文獻，不難發現其嚴謹性以及文獻搜尋的準確率有待商榷，其原因如下： (1) 未交待文獻來源：Lin and Hsieh (2001)針對「Web-based」教學相關文獻的整 5.

(14) 理，但其並未交待其所分析的文獻來源以及方式，其完整性實令人感到懷疑； (2) 未提及搜尋步驟：如 Hwang and Wu (2012) 雖有提及其所搜尋的 7 資料庫，但卻未針對搜尋步驟（如搜尋字串等）進行說明，其搜尋文獻的準確率仍有疑慮； (3) 未提及篩選準則：如 Kay and LeSage (2009)的研究中雖有說明最後的文獻分析筆數，但對於篩選過程並無說明其篩選條件，其研究之嚴謹性仍有些疑慮。本研究將針對以上所提之文獻來源、搜尋步驟、篩選準則等部分加強說明，以增加本研究之嚴謹性及完整性。. 第二節. 系統性文獻分析法 (Systematic Reviews). 2.2.1 系統性文獻分析法的重要性文獻分析法最早可追溯自 Feldman (1971) 指出可將文獻評析與整合本身視為研究的一種。 Feldman (1971) 並說明此一研究法主要包含四個程序：收集資料、篩選、索引與編碼、整合。Light and Pillemer (1984) 指出未來的研究必需能連結既有的研究，研究成果才能不斷地累積，因此綜合既有的研究結果，其重要性往往不亞於進行一項新的研究。Briner and Denyer (2012) 也從兩個觀點指出文獻分析研究的重要性：（1）在過度強調實証研究的重要、而輕忽回顧與綜合過去研究結果的情況下，造就的是一個長篇大論、片段無條理、互相爭論的研究領域；（2）無論學術或實務，以下問題皆重要且具挑戰性：之前的所有研究都支持這個論點嗎？有多少研究支持？之前研究結果對特定論點的支持有多強、多清楚、多一致？研究設計可以讓人們相信所得到的研究結果是可信的嗎？研究者如何避掉既存信念所存在的偏差？ 6.

(15) 2.2.2 文獻分析法的分類 King and He (2005) 將 Information System 領域常用的文獻分析法歸成 narrative reviews, descriptive reviews, vote counting, meta-analysis 等四類，研究者認為這四類不宜以二分法直接歸類成質性或量性的方法，故在一條從純粹質性到純粹量性的連續線上，標示出四種方法所採用的質性或量性分析的程度，如圖 2-1。. 圖 2-1 四種文獻分析法的質性/量性歸屬 (King & He, 2005, p.666). Weiser (2006) 則依研究目的將文獻分析法分為 self-study reviews、context reviews、historical reviews、theoretical reviews、methodological reviews、integrative reviews 等六類，其中 integrative reviews 的分析目的為彙整在某個特定時間點的已知知識，本研究所採用的文獻分析法即屬 integrative reviews 方法。 2.2.3 系統性文獻分析法 (Systematic Reviews) Narrative reviews 和 systematic reviews 為經常被相提並論的兩種文獻研究法，然而眾多文獻均一致指出 narrative review 方法本身欠缺客觀性、嚴謹性，且研究過程不夠清晰透明，其他研究者無法依循同樣的研究步驟來複製同樣的研究。 King and He (2005) 指出 narrative review 沒有共同認可的標準程序，也因此易使得分析結果不夠可靠。Rumrill, Jr. and Fitzgerald (2001) 則指出，narrative review 方法本身易流於主觀，也因此增加了獲致錯誤結論的可能性。Littell, Corcoran and Pillai (2008) 則主張 systematic review 優於 narrative review 之處，在於系統性、明 7.

(16) 確性、可被其他研究者依循的研究步驟。 2.2.4 系統性文獻分析法的研究步驟 Littell, Corcoran and Pillai (2008) 認為系統性文獻分析法的研究步驟可類比一般的實證研究，均包含形成主題、研究設計、抽樣、資料收集、資料分析等主要步驟，分述如下： . 形成研究主題 (Topic Formulation)：訂出清楚的研究目標及待答問題。. . 研究設計 (Study Design)：擬定研究進行方式，例如：確立研究母體 (populations)、實驗干預方式 (interventions)、以及所欲觀察的結果。. . 抽樣 (Sampling)：確立文獻包含及排除準則，並進行搜尋及篩選。. . 資料收集 (Data Collection)：針對篩選所得的文獻，以資料萃取表 (data extraction form) 收集文獻資料。. . 資料分析 (Data Analysis)：針對所收集的資料進行分析。. 第三節教學軟體的分類 Roblyer and Doreing (2013) 將應用於教學的軟體分為教學軟體 (instructional software) 與工具軟體 (tool software) 兩大類，前者結合特定學習內容且完全針對教學目的，後者未結合學習內容、常用於輔助學習活動的進行，但工具的運用不限於學習或教學活動。除區分教學軟體與工具軟體之外，Roblyer and Doreing (2013) 進一步將教學軟體分為以下五類： 1.. 練習式軟體 (Drill-and-Practice Software)：提供與學習內容相關的練習題，以及答題正確性的回饋。 8.

(17) 2.. 教導式軟體 (Tutorial Software)：以軟體所包含的學習內容和教學活動來指導知識的學習，軟體猶如一個知識教導者。. 3.. 遊戲式軟體 (Instructional Games)：為促進學習動機，在練習式或模擬式等教學軟體中加入遊戲設計。. 4.. 解題式軟體 (Problem-Solving Software)：著重解題步驟與解題技巧的教導。. 5.. 模擬式軟體 (Simulation)：對現象或活動的模擬，學習者藉此理解所模擬的現象或活動。Alessi and Trollip (2001) 並依學習目標將模擬式軟體進行如下的分類： I.. 模擬現象 (About something simulations) : 含操弄模擬 (physical simulations) 與反覆模擬 (iterative simulations) 兩者，這兩者性質相似，主要差別在於軟體與學習者的互動方式，前者強調物件或過程的操弄 (manipulation of things or processes )；後者則強調以不同的參數值反覆執行同樣的模擬程序，學習者操弄的是一開始的參數值而非模擬過程。運用於物理與生物等學科教學的模擬多屬 physical simulations，例如：以電路組裝的模擬學習電學知識。. II.. 模擬執行 (How to do something simulations) : 包含程序式模擬 (procedural) 與情境式模擬 (situational) 兩者。前者的典型例子如模擬飛機的駕駛以訓練飛行員；後者則常用於企管或行銷人員的訓練，以情境訓練合宜的行為或態度。. 第四節. 科學過程技能. 科學過程技能的分類方法以美國科學促進會 (AAAS - American Association 9.

(18) for the Advancement of Science) 在一九六Ｏ年代所制定的 SAPA (Science – A Process Approach) 課程標準最為各國所採用。我國於民國六十四年所公佈的國民小學課程標準即依據 SAPA 課程標準所制定；日本亦將 SAPA 課程標準修改為「探究的過程」使用於中小學的課程中；歐洲各國也廣為接受 SAPA 的課程標準（魏明通，1997）。另外，我國目前實施之九年一貫自然與生活科技能力指標也是參考 SAPA 標準制定。美國的 SAPA 課程標準將科學過程技能分為基本過程技能與統整過程技能兩部分。基本科學過程技能共有八種，分別為：觀察、應用空間與時間關係、分類、應用數字、測量、傳達、預測、推理；統整科學過程技能則分五項：控制變因、解釋資料、形成假設、提出操作型定義、實驗。以下概述魏明通（1997）對十三項技能的定義： 1.. 觀察：這是最基本的過程，也是進行任何科學研究必要的過程。常見的觀察活動有：（1）以視覺、嗅覺、聽覺、味覺及觸覺等感官從事觀察；（2）定量的觀察─將觀察結果量化，例如以 10 公分表示一支粉筆的長度；（3）變化的觀察，例如觀察白糖溶於水後的變化；（4）比較的觀察，例如顏色差異的比較；（5）使用儀器的觀察，例如用放大鏡或顯微鏡來觀察無法以肉眼直接觀察的現象。. 2.. 應用空間與時間關係：探討自然現象與空間的關係或其與時間的變化關係，例如：圖形、對稱、運動及速率變化等之探討。. 3.. 分類：指用於整理所收集的事物或資料的過程，必需找出能夠觀察的特性做為分類的基準，例如將物質依存在的形式分為固態、液態及氣態。. 4.. 應用數字：從事科學活動常會涉及數字的應用，例如：長度、質量、時間、 10.

(19) 溫度或體積等測量活動。測量會有誤差，故應用數字需包括求平均值技巧。 5.. 測量：以指定的單位進行測量是從事科學探究的必備技巧，測量的技巧不僅包括正確選擇測量工具，還要能計算測量所得，並判斷何時可用近似測量來代替精密測量。. 6.. 傳達：清晰、精確且公正地傳達資料或探索結果是從事科學工作的基礎。口頭、文字、圖表、數學式及各種視聽媒體為常用的傳達方式。. 7.. 預測：針對具規律性及週期性變化的現象，常根據系統性的觀察及測量來做未知現象的預測。學生可藉由對預測結果的檢驗，來培養檢驗預測可靠程度的能力。. 8.. 推理：推理是對觀察結果的解釋。推理必須根據觀察，對相同的觀察資料，常會有不同的推理。觀察者常需從不同的推理中，選擇最可靠的推理，推理的結果也常因新的觀察結果而修正。. 9.. 控制變因：在可能影響觀察變項的眾多變因中，僅操緃其中一項變因，將其它變因保持不變，藉此得到操縱變因與觀察變項間可靠而有再現性的結果。. 10. 解釋資料：係指針對所收集的資料，加以整理、分析、研判並解釋的過程。 11. 形成假設：「將觀察的事實做一般性的概括，或將推理作歸納性的解釋，就是所謂的形成假設。」（頁 181）所形成的假設不一定正確，因此必須經過驗證，驗證過程若未發現有任何不支持假設的觀察時，即可接受其為已經驗證的假設而可形成為概念或定律。反之，若出現不支持假設的驗證觀察時，所形成的假設必須修正或放棄。 12. 提出操作型定義：以明確指出測量某一現象的操作方法或步驟的方式來為該現象提出定義，稱之為操作型定義 (operational definition)。定義中必需說明 11.

(20) 需要「操作什麼」以及需要「觀察什麼」，例如「智力代表一個人的聰明程度」屬概念定義，而「智力係指受測者在魏氏兒童智力量表上的得分」則包含如何操作（以魏氏兒童智力量表來施測）、以及如何觀察（從得分判讀智力）的資訊，故屬操作型定義。 13. 實驗：指實驗的規劃與進行，包括提出問題、形成假設、找出變項、為變項提出操作型定義，接著設計實驗、進行實驗、並解釋實驗結果。. 12.

(21) 第三章研究方法本研究採系統性文獻分析法，以系統性的、明確定義的步驟，逐步篩選出適合納入分析的文獻，並針對這些文獻進行資料萃取及分析。本研究先以資訊科技融入自然科教學為文獻搜尋範圍，藉此了解過去探討資訊科技融入物理、化學、生物、地球科學等四個學科的文獻數量，最後將研究範圍縮小至資訊科技融入物理科教學的文獻。本章分為研究流程、研究工具、研究步驟三個小節，前兩節分別說明研究進行流程、所設計及採用的研究工具，第三節說明文獻搜尋、文獻篩選及文獻資料收集等研究步驟。. 第一節研究流程研究進行流程如圖 3-1 所示，包含「背景研究」、「文獻搜集與文獻資料萃取」、「結果分析」等三個主要階段。 3.1.1 背景研究閱讀資訊科技融入教學以及文獻分析法相關的文章和書籍，以確立研究主題與研究步驟。 3.1.2 文獻搜集與文獻資料萃取 (一) 文獻搜尋：包含確立欲搜尋的電子資料庫、訂定搜尋準則、實際進行搜尋、以書目管理軟體管理搜尋結果等步驟。 (二) 文獻篩選：針對前一步驟的文獻搜尋結果篩選欲納入分析的文獻。 (三) 文獻資料萃取：針對篩選後決定納入分析的文獻，以資料萃取表格進行文獻資料的收集，必要時修改資料萃取表。 (四) 文獻增補：研究者從已完成分析之文獻所列的參考文獻中，搜尋符合研究主題但未能於前階段搜尋到的文獻，並一併納入分析。. 13.

(22) 背景研究階段. 文獻探討. 文獻搜尋. 文獻篩選資料蒐集與資料萃取階段文獻資料萃取. 修改資料萃取表. 文獻增補. 資料整理與分析結果分析階段. 撰寫研究報告. 圖 3-1 研究流程圖. 3.1.3 結果分析階段針對所搜集的文獻資料進行分析，分析方式及分析結果詳見第四章。. 第二節研究工具本研究的研究工具主要有二：（1）納入搜尋的電子資料庫：研究者依據資料庫簡介內容，共找出六個與研究主題有關的電子資料庫，並以預訂的搜尋準則進行文獻搜尋；（2）用於收集文獻資料的資料萃取表（如表 3-1）：在閱讀所要分析的文獻全文時，以此表格記錄文章的重要資料，並於後續階段進行分析。. 14.

(23) 表 3-1 資料萃取表. 文獻資料萃取表格. 編號：. 文獻來源知識概念研究目的學習者教育階段. 年齡. 國家. 研究結果工具. 名稱用途學習活動研究發現資料萃取表一共分為 11 項資料分別為編號、文獻來源、知識概念、研究目. 的、研究參與者、年齡、國家、工具名稱、工具用途、學習活動、研究發現，其定義如下： . 編號：研究者所編制的文獻編號。. . 文獻來源：以 APA 格式填入，以便未來文獻資料整理。. . 知識概念：教學個案所教學的物理知識、概念。. . 研究目的：填入該篇文獻的研究目的，已變為來研究者整理文獻時能快速回憶該篇文獻的內容。. . 學習者教育階段：研究參與者的教育階段。. . 年齡：除教育程度外，因部分文獻只提及學習者的年齡，故填入研究參與者的年齡能便於未來整理學習者的教育程度分類。. . 國家：填入國家以了解資訊科技應用於物理科的國家分佈情形。. . 工具名稱：硬體與軟體名稱。. . 工具用途：軟硬體的使用功能。. . 學習活動：使用資訊科技工具所執行的教學活動或學習活動。. . 研究發現：使用資訊科技工具對學生所帶來的學習影響。. 15.

(24) 第三節研究步驟本研究依循系統性文獻分析法，以明確定義的步驟，系統性地找出符合研究主題的文獻並加以分析。主要的研究步驟為：（1）訂定研究主題；（2）依據資料庫簡介內容篩選與研究主題相關的電子資料庫；（3）訂定資料庫搜尋準則；（4）文獻搜尋與建立文獻資料庫；（5）文獻篩選；（6）文獻資料萃取；（7）文獻增補；（8）文獻資料分析。. 3.3.1 訂定研究主題本研究一開始先針對資訊科技融入自然科教學進行搜尋，藉此先行掌握過去探討資訊科技融入物理、化學、生物、地球科學等四個學科的文獻數量，再根據所找到的文獻數量以及研究者本身的研究興趣，將研究範圍縮小至資訊科技融入物理科教學的文獻分析。. 3.3.2 篩選電子資料庫「資訊科技應用在中小學自然科教學」屬於社會科學領域中的教育研究議題，故針對臺灣師範大學圖書館所訂閱的 168 種西文電子資料庫之簡介內容，篩選側重在「社會科學」及「教育」兩個領域且以收錄期刊文獻為主的資料庫共六個，分別為：（1）包含在 EBSCOhost 系統的 Wilson database、（2）Ed/ITLib (Education & Information Technology Library)、（3）Web of Science (Web of Knowledge 系統)、（4）Education Journals (ProQuest 系統)、（5）Education Resources Information Center (ERIC)、以及（6）ScienceDirect On-line (SDOL)。. 3.3.3 訂定資料庫搜尋準則不同的資料庫雖有不同的搜尋介面與可指定的搜尋條件，但「搜尋關鍵字」、 16.

(25) 「出版年份」與「文獻所使用的語言」三者是其中共通的搜尋條件。搜尋六個資料庫時，除「出版年份」一致指定為 2000 年至 2012 年，「文獻所使用的語言」一致指定為 English 之外，一致採用的搜尋字串為：(ICT OR technology OR computer OR system) AND (teach* OR learn* OR educat* OR instruct* OR pedagog*) AND (scien* OR biolog* OR physic* OR chemi* OR earth)。在上述搜尋字串中，以 AND 分隔的三組關鍵字分別代表「資訊科技」、「教學或學習」、「所運用的科目」，例如 ICT, technology, computer, system 代表描述資訊科技所可能採用的字彙；此外，*代表通用字元，用於擴充同一個字彙的不同型態，又如以 educat*可代表 educate, education, educating, educated 等字彙以及其他以 educat- 開頭的字彙。在第一組描述資訊科技的關鍵字中，ICT、technology、與 computer 三字均偏硬體性質。對於描述軟體方面的字，研究者檢視了 10 篇資訊科技融入自然科教學的文獻，發現所有文獻中均含 system 一字，但不一定包含 program 或 software 一字（例如 Hwang, Shi and Chu (2011) 探討運用行動裝置於小學自然科的蝴蝶生態觀察，該文並未出現 software；Kim and Olaciregui (2008) 探討電子化學習歷程檔案 (electronic portfolio) 運用在小學五年級科學課程的學習成效，文章並未出現 program 這個字），故在第一組關鍵字中加入 system。 3.3.4 文獻搜尋與建立文獻資料庫確立主要搜尋準則與所要搜尋的資料庫後，即開始搜尋並將搜尋結果匯入 EndNote 書目管理軟體中，以便進行後續階段的文獻篩選。本節簡述六個資料庫的搜尋過程與結果（詳細的搜尋過程與截圖請參照附錄三）。本研究的整體文獻搜集過程（含本小節的文獻搜尋、3.3.5 小節的文獻篩選以及 3.3.7 小節的文獻增補）採用了 Gough, Oliver and Thomas (2012) 一書的 “PRISMA Diagram”（P.86），繪製如圖 3-9。 . Education Journals (ProQuest 系統) 搜尋日期為 2013 年 5 月 19 日，依序以 (1) ~ (6) 等搜尋條件進行搜尋。 17.

(26) (1) 關鍵字：符合條件的筆數有 345,657 筆。 (2) 出版年份：符合的文獻有 259,206 筆。 (3) 語言：指定出版語言為 English，符合的文獻有 258,134 筆。 (4) 來源類型：指定「學術期刊」為文獻來源類型，符合的文獻有 160,634 筆。 (5) 出版物名稱：勾選符合研究主題的刊名（如圖 3-2），例如 , The American Biology Teacher 等等，符合的文獻有 19,514 筆。 (6) 主題(subject)：勾選與研究有關的主題，符合的文獻有 5,521 筆。. 圖 3-2 在 Education Journals (ProQuest 系統)中勾選有關的期刊. . EBSCOhost 系統中的 Wilson Databases 搜尋日期為 2013 年 5 月 19 日，依序以 (1) ~ (5) 所訂的搜尋條件進行搜尋。. (1) 關鍵字：從介面中指定「TX All Text Fields」這個搜尋欄位，代表針對所有欄位進行搜尋，符合搜尋關鍵字的文獻筆數為 562,589 筆。 (2) 出版年份：進一步指定出版年份後，符合的筆數為: 459,336 筆。 (3) 來源型態（Source Types）：將來源型態指定為學術期刊（Academic Journals）後，符合的筆數為 245,183 筆。 (4) 出版物 (Publication)：在搜尋介面所提供的 50 種刊物中，根據刊名判斷其是否屬於「教育」及「自然領域」相關的刊物，從中選取了 10 種，並從該 10 種刊物中得到 7,330 筆文獻。 18.

(27) (5) 主題領域（Subject Area）：在搜尋介面勾選與研究主題相關的主題，所得的搜尋筆數為 3,052 筆。. . Ed/ITLib (Education & Information Technology Library) 搜尋日期為 2013 年 5 月 21 日，以關鍵字、出版年份分別搜尋該資料庫中的. 十本期刊，搜尋結果如表 3-2。表 3-2. EdITLib 搜尋結果統計. 刊名. 筆數. Association for the Advancement of Computing in Education (AACE) International Journal on E-Learning. 98. (IJEL). Journal of Computers in Mathematics and Science Teaching. (JCMST). 62. Journal of Computers in Mathematics and Science Teaching (JILR). 67. Journal of Educational Multimedia and Hypermedia (JEMH). 75. Association for the Advancement of Computing in Education Journal (AACEJ). 39. Association for the Advancement of Computing in Education Journal (CITE journal). 162. Information Technology in Childhood Education Annual (ITCE). 15. International Journal of Educational Telecommunications (IJET). 0. World Conference on the WWW and Internet (WEBNETJ). 0. 總計 . 609. 1,127. Web of Science (Web of Knowledge 系統) 搜尋日期為 2013 年 5 月 20 日，依序以 (1) ~ (6)等搜尋條件進行搜尋。. (1) 關鍵字: 指定的搜尋欄位是「Topic」，符合條件的筆數為 46,355 筆。 (2) 出版年份：符合條件的筆數為 34,538 筆 (3) 研究領域：在搜尋介面勾選「Education Educational Research」這個項目，所得到的筆數是 6,481 筆。 (4) 語言：在搜尋介面指定 English 文獻，得到 6,244 筆文獻。 (5) 文件類型 – 在搜尋介面勾選 article 以及 proceedings paper 這兩個文件類型，得到 5,911 筆文獻。. 19.

(28) (6) 出版品標題（Source Title）：根據出版品標題（如圖 3-3）判斷其是否屬於「教育」與「自然領域」相關領域之刊物，得到 2,594 筆文獻。. 圖 3-3 在 ISI-Web of Knowledge 的搜尋介面勾選與研究主題相關的期刊. . ERIC (Education Resources Information Center) 搜尋日期為 2013 年 5 月 20 日，依序以 (1) ~ (7) 等搜尋條件進行搜尋。. (1) 關鍵字：符合條件的文獻有 84,323 筆 (2) 出版年份：符合的文獻有 30,413 筆 (3) 語言：指定出版語言為 English，符合的文獻有 30,234 筆。 (4) 來源類型：指定「學術期刊」為文獻來源，符合的文獻有 22,855 筆。 (5) 出版物名稱：勾選符合研究主題的刊名，例如 International Journal of , Journal of Science Education and Technology 等，符合的文獻有 9,588 筆。 20.

(29) (6) 教育階段：勾選畫面如圖 3-4，符合本研究教育層級的選項包括：Kindergarten, Primary Education, Elementary Secondary Education, Elementary Education, Secondary Education, Junior High Schools, High Schools, Middle Schools, Grade 1~Grade 12, Intermediate Grades等 21 項。排除 Higher Education, Postsecondary Education, Adult Education, Early Childhood Education, Preschool Education, Two Year Colleges 等 6 項。符合的文獻有 2,257 筆。. 圖 3-4 勾選符合的教育階段. (7) 主題 (subject)：勾選與研究有關的主題，符合的文獻有 1,724 筆。. . ScienceDirect On-line (SDOL) 搜尋日期為 2013 年 5 月 21 日。ScienceDirect 這個資料庫的搜尋方式與其它. 資料庫略有不同。搜尋方式為先建立帳號，接著將與研究主題相關的期刊加入最愛，之後針對加入最愛的期刊進行搜尋。搜尋步驟如 (1) ~ (6)。. (1) 關鍵字搜尋。 (2) 來源（Source）: 將「教育」與「社會科學」領域相關期刊加入最愛中的期刊（My favorite Journals）以作為為文獻來源，例如 Brain and Cognition, Cognition, Cognitive Development, Cognitive Psychology 等期刊。 21.

(30) (3) 主題（Subject）：以社會科學（Social Science）為搜尋主題。 (4) 文件型態（Limit by document type）: 文件型態為文章（Article）。 (5) 出版年份（Date Range）：2000 ~ 2012。 (6) 排除非相關主題：排除了 teacher education, world bank, language learning 這三項。從 ScienceDirect 所搜尋到的文獻筆數共有 8,751 筆。. 總計從以上 6 個資料庫共搜尋到 22,769 筆文獻，這些文獻均匯入 EndNote 建檔，接著利用 EndNote 的 Duplicates 功能，刪除了 1732 筆重複文獻，剩餘 21,037 筆，如圖 3-5。為進行後面的人工篩選，將 EndNote 中的文獻匯出成 Excel 檔案，這個步驟進一步排除了 82 筆 Journal 以外的文獻（如出自 Book 之文獻），最後共匯出 20,955 筆，如圖 3-6。. 圖 3-5 匯入 EndNote 示意圖. 22.

(31) 圖 3-6. Excel 資料庫示意圖. 3.3.5 文獻篩選人工篩選分為四階段：（1）刪除非學術期刊以及不符研究主題的期刊所收錄的文獻；（2）根據標題進行篩選；（3）根據摘要進行篩選；（4）全文篩選。這四個階段的篩選方式與結果分述如下。 (1) 刪除出自非學術期刊及不符研究主題期刊之文獻在 Excel 檔案中，先將文獻依所登載的刊名排序，接著檢視這些期刊的簡介或發行宗旨，藉此找出非學術期刊及與研究主題無關的期刊，然後排除這些期刊所收錄的文獻。例如：Learning & Leading with Technology 是一本書，故將出自這本書的 22 篇文章刪除，Journal of Chemical Education 這本期刊在簡介資訊中已明確指出探討的是 higher education 的議題（如圖 3-7），故刪去這本期刊所收錄的 795 篇文獻。本階段所刪去的期刊及出自這些期刊的文獻篇數如表 3-3，共刪去 11 本期刊或書籍所收錄的 2,037 篇文獻。. 23.

(32) 圖 3-7 一本針對 higher education 的期刊. 表 3-3 被排除的非學術期刊以及與研究主題無關的期刊. 期刊名稱. 筆數. Journal of Chemical Education. 795. ASEE Prism. 131. Biochemistry and Molecular Biology Education. 97. Journal of Technology Studies. 6. Russian Education and Society. 7. Innovations in Education and Teaching International. 22. Learning & Leading with Technology. 22. Journal of Technology and Teacher Education. 91. Knowledge Quest. 128. Journal of the American Society for Information Science and Technology. 335. The American Biology Teacher 文獻合計篇數. 403 2037. (2) 根據標題與摘要進行篩選摘要的篩選係根據依研究主題所訂定的三項文獻包含準則：（a）研究參與者為 24.

(33) 小學（elementary school），國中（junior high school）及高中（high school）學生；（b）研究中必須運用資訊科技來輔助學習或教學活動的進行；（c）教學科目必須是物理、化學、地球科學、生物等四個學科。本階段的篩選總共排除了 18,035 篇不符合上述包含準則的文獻（例如 Hwang, Yang, Tsai and Yang (2009) 探討行動科技在科學實驗的運用，但從摘要看出該研究係針對研究生，故不符（a）項包含準則；Howe et al. (2007) 探討運用群組工作 (group work) 於小學科學課程的學習，但因所設計的教學活動未涉及資訊科技的使用，故不符包含（b）準則；Brown (2007) 探討以建構多媒體作品（multimedia construction）來促進對知識的思考，學習內容不屬於特定學科，故不符包含（c）準則），其中包括 459 篇高等教育相關文獻、EndNote 沒有偵測到的重複文獻 642 篇以及與本研究不相關的文獻 17,393 篇。剩餘的 424 篇文獻包含物理 139 篇、化學 62 篇、生物 169 篇、以及地球科學 66 篇，但因某些文獻文獻同時探討了一個以上的學科，故四個科目的文獻總數為 436 篇，略高於實際的篇數。研究者就人力因素的不足，將本研究的目標文獻定位在物理科相關教學個案進行全文篩選與資料萃取。. (3) 全文篩選本階段針對前面階段所篩選的 139 篇探討物理科教學的文獻進行全文篩選。本階段排除了 21 篇不符前述三項包含準則但未能在先前的篩選階段發現的文獻，也排除了 46 篇符合表 3-4 所述排除準則的文獻。因符合表 3-4 的第 1 項排除準則而排除的文獻有 6 篇，例如：Sengel and Ozden (2010)這篇研究出自「Egitim Arastirmalari-Eurasian Journal of Educational Research」這本期刊，經查詢國家圖書館全國期刊聯合目錄資料庫，並未查到有任何單位訂閱該期刊（如圖 3-8），故予以排除。因符合表 3-4 的第 2（a）項排除準則而排除的文獻有 31 篇，例如： Bryan (2010) 探討四個運用影片分析來學習機械能源守恆（ conservation of mechanical energy）的個案，文章未談具體的學習活動進行方式，如實驗參與者、 25.

(34) 研究場域等，故予以排除。因符合表 3-4 的第 2（b）項排除準則而排除的文獻有 9 篇，例如：Guan, Tsai and Hwang (2006) 針對一個討論虛擬物理實驗的論壇（forum of a virtual physics laboratory）進行討論內容的分析，參與論壇討論者必需是已註冊的使用者，主要為來自各校的高中生，以及其他對討論主題有興趣的大學生、研究生等。該研究非屬正規教育中之班級課堂教學，故予以排除。本階段共排除 67 篇，因此最後進入分析階段的文獻共有 62 篇。. 表 3-4 進行全文篩選時所採用的排除準則. 1.. 找不到全文：經由以下兩個管道均無法找到全文者 (a). 臺灣師範大學圖書館 (b). 從國家圖書館的「全國期刊聯合目錄資料庫」查閱是否有它校訂閱. 2.. 文獻所報導的必須是資訊科技融入教學的個案，而且該個案必須具備以下條件： (a). 必須有教師參與且有明確的學習活動設計，包括教師在教學流程中親自帶領學習活動，或由學生自行根據教師事先規劃與準備的流程與教材進行學習活動。 (b). 須屬正規教育中之班級課堂教學，亦即排除各類型的營隊等。. 3.3.6 文獻資料萃取本階段依據表 3-1 的文獻資料萃取表來搜集文獻資料。研究者針對 62 篇文獻所填寫之資料萃取表詳見附錄一。以下以 Russell, Lucas and McRobbie (2003) 這篇文獻為例，說明資料萃取表的填寫方式。. 26.

(35) 圖 3-8 全國期刊聯合目錄資料庫查詢介面. . 文獻來源：Russell, D. W., Lucas, K. B., & McRobbie, C. J. (2003). The Role of the Microcomputer-Based Laboratory Display in Supporting the Construction of New Understandings in Kinematics. Research in Science Education, 33(2), 217–243.. . 知識概念：kinematics. . 研究目的：Our research was part of a larger doctoral study by the first author, which aimed to add to the fundamental understanding of how MBL activities support or ’. .. study reported here focused on students working in a kinematics MBL. Specifically, the aims of the research were to document and interpret:（1）the patterns of interaction between experimental phenomena, computer display, collaborative student groups, individual students and their teacher; （ 2 ） the role of the computer in presenting information, engaging student collaboration, and mediating between experimental phenomena and student understanding of physics concepts; and, (3) the role of the teacher in a constructivist MBL.. . 研究參與者：The Year 11 introductory physics class comprised 5 girls and 24 boys and was particularly large for a physics class. 27.

(36) . 年級：Year 11 (High School). . 國家：Australia.. . 工具名稱：Microcomputer-Based Laboratory Display. . 工具用途：學生操作滾輪，MBL產生並顯示對應的資料，供學生分析及檢視，. 藉此讓學生更有效率地進行關於運動的實驗。以下是文章中關於工具用途的敘述： The motion sensor was a hand-held ten-turn wheel (62 mm diameter) which students typically rolled along the work bench, from which the computer logged displacements, and generated velocity and acceleration data. MBL methods have extended the range of laboratory experiments, affording students additional opportunities to design experiments in which variables are quickly changed.. . 學習活動：(a) 二至三人一組：For the laboratory lessons they collaborated as seven dyads and five triads. (b) 四堂課程，使用學習單完成八個任務，學習單採POE. 的設計方式，回家做要完成跟當天學習活動有關的作業：During four lessons the students addressed eight tasks using worksheets designed by the teacher, based on a Predict-Observe-Explain (POE) design and for homework they completed qualitative and q. v. b. ’. v. . ( ) 在完成 MBL lesson 後，在. 教師帶領下，回顧實驗結果：In lessons subsequent to the first MBL lesson, the teacher spent the first ten minutes asking students to expand on their findings of the previous laboratory. During a post-MBL lesson the students reviewed their findings and responded to overhead transparencies prepared by the teacher from graphic data collected by students during their experiments.. . 研究發現： ’. ’. entified many instances where k. w. w. .. invented numerous techniques for manipulating data in the service of their emerging understanding. Recommendations are made for developing pedagogical strategies. 28.

(37) incorporating MBL activities which will likely catalyze student construction of understanding.. 3.3.7 文獻增補此階段從已篩選出來的文獻所列之參考文獻，找出符合研究主題卻未被搜尋到的文獻，目的在於彌補電子資源搜尋上的死角。Littell, Corcoran and Pillai (2008) 稱此方式為 “Reference Harvesting”。研究者從篩選完成的 62 篇文獻所列的參考文獻中，進一步找出 7 篇符合研究主題卻未能由前述六個電子資料庫搜尋到的文獻，並進行前階段的資料萃取。符合包含準則卻未被成功搜尋到的原因之一與搜尋過程的選項勾選有關，例如： Casperson and Linn (2006) 這篇研究出自 ” American. journal. of. physics” 這本期刊， AJP. 的期刊首頁. （http://scitation.aip.org/content/aapt/journal/ajp）已載明係針對大學，故研究者在搜尋 ISI-Web of Knowledge 資料庫時，在圖 3-2 的出版品標題 (Source Title) 並未勾選這本期刊，故未搜尋到該期刊內的文章。文獻搜尋、篩選及增補流程如圖 3-9。. 3.3.8 資料分析資料分析階段除了將萃取出的資料進行統計性資料的彙整外，另針對學習活動內容使用美國科學促進會所制定的十三項「科學過程技能」進行分析，其結果將於第四章呈現。. 29.

(38) Total number of papers found through searching electronic databases : 22,769. EBSCO : 3052 Ed/ITLib : 1127 Education Journals : 5521 ERIC : 1724 ISI : 2594. 運用 EndNote之find duplicates功能篩選 : 21,037. EndNote Duplicates ：1,732. 指定匯出Jounal文章：20,955. 排除非Journal資料：82. 依據期刊簡介與發行宗旨篩選文獻 : 18,918. Excluded papers ：2037. Title and abstract screened 篩選自然科： 424. Excluded papers ：18035. ScienceDirect : 8751. 非學術期刊收錄之文獻：22 Not on topics ：2,015. 高等教育：459. 重複文獻：642 Not on topics ： 17,393. 物理：139. 化學：62. 生物：169. 地球科學：66. Excluded papers ：67. 閱讀全文篩選： 62. 非使用 ICT工具的功能幫助或提升教學與學習： 7 同一研究團隊，重複同樣研究，且結果雷同：9. 沒有教學活動： 3 文獻增補：7. 非正規課程：9. 納入分析階段篇數： 69. 教學活動設計不明確： 28 教師培訓相關： 5 找不到全文：6. 圖 3-9 文獻搜集流程圖. 30.

(39) 第四章. 研究結果. 本章針對符合本研究之研究主題與篩選條件之 69 篇文獻，進行彙整分析，以呈現資訊科技工具在中小學物理科教學之使用概況。本章分為三小節：第一節為文獻基本資料分析，依文獻的研究者所屬國別、出版刊物、物理概念、以及研究對象所屬之教育階段加以分類；第二節為資訊科技工具的使用概況，分別就教育階段、物理概念/單元、以及軟/硬體等三個面向，說明資訊科技工具在中小學物理概念教學中的使用情形；第三節則針對資訊科技融入教學所支援的學習活動，分析各活動所欲培養之科學過程技能。. 第一節. 文獻基本資料. 4.1.1 研究者所屬國別表 4-1 為 69 篇文獻依國別的分類結果，篇數最多的前三個國家依序為美國 17 篇、台灣 9 篇、及荷蘭 8 篇。表 4-1 文獻分類--依研究者所屬國別國別. 澳大利亞. 智利. 賽普勒斯. 芬蘭. 德國. 希臘. 篇數. 2. 2. 1. 3. 1. 5. 國別. 香港. 以色列. 義大利. 肯亞. 黎巴嫩. 尼爾蘭. 篇數. 1. 2. 2. 1. 1. 8. 國別. 新加坡. 台灣. 土耳其. 英國. 美國. 未載明. 篇數. 2. 9. 6. 5. 17. 1. 4.1.2 出版刊物表 4-2 為 69 篇文獻依出版刊物的分類結果。在 25 項出版刊物中，篇數最多的四本刊物依序為：Computers & Education (10 篇)、Journal of Science Education and Technology (10 篇)、Journal of Computer Assisted Learning (9 篇)、以及 International Journal of Science Education (8 篇)。 31.

(40) 表 4-2 文獻分類-依出版刊物刊物名稱 American journal of physics British Journal of Educational Technology Cognition and Instruction Computers & Education Educational Technology & Society Energy Education Science and Technology Part B-Social and Educational Studies Human-Computer Interaction Ieee Transactions on Learning Technologies Instructional Science Interactive Learning Environments International Journal of Science and Mathematics Education International Journal of Science Education Journal of Computer Assisted Learning Journal of Computers in Mathematics and Science Teaching Journal of Educational Technology & Society Journal of Research in Science Teaching Journal of Science Education and Technology Learning and Instruction Physics Education Research in Science Education Science Education The Science Teacher Themes in Education Turkish Online Journal of Educational Technology. 篇數 1 4 1 10 3 1 1 1 2 1 1 8 9 1 1 4 10 2 3 1 1 1 1 1. 4.1.3 物理概念在物理概念的教學中，資訊科技工具運用較多的單元依序為運動學（19 篇）、電學（17 篇）、及力學與熱學（均為 12 篇），如表 4-3 所示。部分文獻所包含的物理概念有 2 種或 2 種以上（例如 Deniz and Dulger (2011) 探討即時繪圖科技 (real-time graphing technology) 應用在 ”motion and temperature” 的學習，該研究同時歸類在表 4-4 的運動學與熱學兩個物理概念），故表 4-4 的總篇數（78 篇）大於實際篇數，。. 32.

(41) 表 4-3 文獻分類-依物理概念物理概念篇數物理概念篇數物理概念篇數. 運動學. 電學. 力學. 熱學. (Kinematics). (Electricity). (Mechanics). (Thermal). 19. 17. 12. 12. 光學. 波動. 功. 流體動力學. (Optics). (Wave). (Work). (Hydrodynamics). 7. 3. 2. 2. 物質基本特性. 簡單測量. 靜電學. (Three states of matter). (Measure). (Electrostatics). 2. 1. 1. 4.1.4 教育階段依實驗參與者所屬教育階段，將文獻分為國小、國中、高中三類，分類標準如表 4-4，從分類結果可看出資訊科技融入物理科教學之文獻主要分佈於高中較多，如表 4-5。表 4-4 教育階段分類標準國內標準. 美國標準. 國小. 一年級至六年級. 一年級至五年級. 國中. 七年級至九年級. 六年級至八年級. 高中. 十年級至十二年級. 九年級至十二年級. 表 4-5 文獻分類-依教育階段教育階段. 國小. 國中. 高中. 篇數. 18. 17. 34. 百分比. 26.1%. 24.6%. 49.3%. 第二節. 資訊科技工具的分類. 在學習活動中使用軟/硬體培養科學過程技能的關係圖如圖 4-1。本節探討軟/硬體的分類情形，並針對各物理概念詳列所使用的軟體工具類別及名稱。. 33.

(42) 圖 4-1 文獻分析圖. 34.

(43) 4.2.1 硬體圖 4-2 為分析 69 篇文獻所使用資訊科技工具的硬體分析圖，主要分為圖左的桌上型、筆記型、手持式等三種主電腦設備，以及外接至主電腦設備的週邊設備，圖中括號中數字表示為該硬體在文獻中出現的次數，例如桌上型電腦（60）表示桌上型電腦在 69 個教學個案中，共出現 60 次。部份文獻中的研究因同時搭配兩種週邊設備，故圖4-2右邊的文獻篇數（72 篇）大於實際篇數，例如 Struck and Yerric (2009) 探討關於動力學（kinetics）的圖形表達與解釋，同時採用了音速動作探測器 (sonic motion detectors)與數位相機 (digital video camera) 以收集兩種運動資料來源。搭配週邊設備的研究中，以電腦搭配各式探測器的文獻篇數最多，共有9篇，例如 Deniz and Dulger (2011) 以筆記型電腦搭配了動作探測器和溫度探測器。其它週邊設備的應用實例有：Gillen, Littleton, Twiner, Staarman and Mercer (2007) 以電子白板搭配影片 (video) 的播放來營造多樣式的教學情境 (supporting multimodal teaching) 並促進學習過程的討論；Han and Black (2010) 為促進「力和運動」 (force and kinesthetic) 的學習效果，以外接的搖桿 (joystick) 模擬「力」的輸入；Mun, Hew and Cheung (2009) 將立即回饋系統 (RPS: Response Pad Systems) 運用於高中物理概念學習，其主要功能為讓教師提問，而後由學生針對教師的提問以RPS作答，教師即可藉由來自RPS 的即時回饋掌握學生的概念理解情形； Mitnik, Nussbaum and Recabarren (2009) 以手持式電腦裝置搭配機器人 (robot) 設計關於運動學 (kinematics) 的學習活動，藉此訓練學生繪製和解釋與運動有關的圖。. 35.

(44) 主要硬體. 週邊硬體. 桌上型電腦(60). 無週邊硬體(48) （NO others）各式感測器(6) （Probes）攝影器材(1) （Camera）立即回饋系統 (1) (Rwsponse Pad Systems）電子白板(4) （Interactive WhiteBoard）搖桿(1) （Joystick）. （Desktop Computer）. 無週邊硬體(5) （No others）. 各式感測器(2) （Probes）. 筆記型電腦(7) （Laptop Computer）. 攝影器材(1) （Camera）. 各式感測器(1) （Probes）. 攝影器材(1) （Camera）. 手持式電腦(2) （Mobile Computer）. 機器人(1) （Robot）. 圖 4-2 硬體分類圖. 4.2.2 軟體軟體的分類結果如圖 4-3，主要參考 Roblyer and Doreing (2013) 的分類方式，先將軟體分為教學軟體 (instructional software) 與工具軟體 (tool software) 兩大類，再依 69 篇文獻所使用的軟體工具性質，進一步將教學軟體與工具軟體分別進行細項分類。69 篇文獻所使用的軟體工具名稱及所對應的細項分類如表 4-6；表 4-7 則為運用於各物理概念的軟體項目和名稱。圖 4-3 的八個細項分類之運用實例分述如下。. 36.

(45) 教導式軟體 (14) (Tutorial Software). CSCL軟體 (3). 模擬式軟體 (28). (Computer-supported collaborative learning Software). (Simulations). 教學軟體 (50). 練習式軟體 (4). 工具軟體 (19). 概念地圖軟體 (4). (Instructional Software). (Drill and Practice). (Tool Software). (Concept Maps Software). 遊戲式軟體 (2). 資料分析軟體 (12). (Educational Games). (Data Process Software). 測驗式軟體 (2) (Test Software). 圖 4-3 軟體分類圖. 表 4-6 軟體名稱分類表軟體類別. 軟體名稱 WISE (5), Lesson Rainbow, Process Coordinator, RelLab, Talking. 教導式軟體 But, MATHEMA WISE (5), Interactive Physics (3), Electricity Exploration Tool (2), 模擬式軟體. Co-Lab, Collision, Crocodile Clips’, DC-kid, EAST, , Inquire and Solve, IVPL, LabVNC, PhET, Physlets, PowerSim, SimQuest, Worker’s World, xyZET. 練習式軟體. WISE (5), Netherlands, Physhint, ROLSSAP. 遊戲式軟體. SURGE, First Colony. 測驗軟體電腦支援協作學習軟體概念地圖軟體資料分析軟體. BVD (Branched Vision Development), WCOMT, CSILE, Microsoft Netmeeting COMPASS (3), Inspiration, Cabr`ı Géometrè, Casio Data Analyzer, LoggerPro, MRSCL GraphPlotter, Response Pad System. i.. 教學軟體. (1) 教導式教學軟體（Tutorial）：以軟體所包含的學習內容和學習活動（例如：. 37.

(46) 以提問促進對學習內容的再思考）教導知識的學習。例如：Hsu (2006)以設計的‘Lesson Rainbow’課程教授物理與地球科學有關的概念；Kiboss (2002) 以自行發展的 Computer-based physics instruction program 來教導測量的概念。 (2) 模擬式教學軟體：Jaakkola, Nurmi and Veermans (2011) 探討「單純使用模擬教材」以及「模擬教材和實體實驗並用」兩種教學方式在電路學習的成效差異。學習者運用模擬教材建立直流電路 (DC circuits) 並觀察電路的運作。 Borghi, Ambrosis, Lamberti and Mascheretti (2005) 探討模擬教材運用於自由落體 (free fall motion) 的學習，學習者在模擬軟體中調整初始速度 (initial velocity) 等參數並觀察運動軌跡的差異。 (3) 練習式教學軟體（Drill-and-Practice Software）：Chen and She (2012) 的研究探討線上的科學觀念論辯 (on-line synchronous scientific argumentation) 如何促成學生論辯能力的提升與科學觀念的改變，所研發的學習軟體以兩階層的論辯樣版 (two layers of templates) 引導學生進行科學論辯的練習。 (4) 遊戲式教學軟體（Educational Games）：Clark et al. (2011) 所採用的遊戲軟體將牛頓力學 (Newtonian mechanics) 的概念學習整合於遊戲活動中並探討學習成效；Echeverría, Barrios, Nussbaum, Améstica and Leclerc (2012) 則比較不同設計理念的遊戲軟體對於學習靜電學 (electrostatics) 的學習成效差異。 (5) 測驗軟體（Test）：Tas (2011) 所發展的教學軟體 BVDM (branched vision development material) 同時包含測驗與學習內容，透過系統性的測驗步驟了解學生在學習前與學習過程的知識理解，同時據以判斷學生是否需要先完成相關的學習活動再接受測驗；Tsai, Lin and Yuan (2001) 發展了測驗系統 38.

(47) WCOMT (web-based concept map test)，讓學生在網頁介面的概念圖中進行填空測驗，所填的內容為概念名稱或代表概念間關係的關鍵字，研究者並探討 WCOMT 運用於高中物理學習的成效影響。 ii.. 工具軟體. (1) CSCL (Computer-Supported Collaborative Learning) 軟體：Soong and Mercer (2011) 運用會議軟體 Microsoft NetMeeting，讓學生以暱名方式（學生不知道合作對象是誰）在線上進行討論及合作解題，教師依討論內容了解學生的學習困難；Hakkarainen (2004) 探討在 CSILE (Computer-Supported Intentional Learning Environments) 支援教室環境中的合作式學習下，學生所進行的科學探索歷程。 (2) 概念地圖軟體：Asan (2007) 探討經由繪製概念構圖反思學習內容，對學習成效的影響。在教授完學習內容後，實驗組學生經由共同討論找出 22 個相關概念，接著以 inspiration concept mapping program 這個軟體個別完成概念圖的繪製； Puntambekar, Stylianou and Hübscher (2003) 探討 CoMPASS (Concept Mapped Project-Based Activity Scaffolding System) 這個概念圖工具運用於國中物理學習的成效。 (3) 資料分析軟體：在 Nicolaou, Nicolaidou, Zacharia and Constantinou (2007) 所進行的研究中，實驗組學生以 MBL (Microcomputer-Based Labs) 分析所搜集的溫度資料並產生圖形，藉此促進學生的圖形解讀能力及概念理解；其它同樣使用 MBL 這個資料分析軟體的研究有 Boujaoude and Jurdak (2010) 以及 Russell, Lucas and McRobbie (2004) 等。. 39.

(48) WISE (Web-Based Inquiry Science Environment) 是一個網站，透過網頁瀏覽器可以支援多種功能如模擬實驗、線上同儕討論、播放影片、線上課程教學等，故 WISE 在表 4-7 中同時歸在多個分類項下。表 4-7 物理概念與軟體應用物理概念. 軟體類別. 軟體次類別教導式. 軟體名稱 RelLab Interactive Physics (2) , WISE, Physlets, PowerSim, xyZET, Internet Virtual Physics Laboratory (IVPL) Physhint WCOMT (web-based concept map test) SURGE MRSCL GraphPlotter, real-time graphing software, data acquisition-probeware, LoggerPro, Casio data analyzer WISE Electricity Exploration Tool (2) , PhET, LabVNC, Crocodile Clips’, Interactive Physics, SIMQUEST, Electricity Analogy-based Simulation Tool(EAST), DC-kid, WISE Netherlands First Colony Mathematical modeling-Insight 4 CSILE 自製 Flash 動畫教材 Collision. 模擬式教學軟體練習式測驗式遊戲式. 運動學. 工具軟體. 資料分析軟體教導式軟體. 教學軟體電. 工具軟體. 教學軟體. 模擬式軟體練習式軟體遊戲軟體資料分析軟體 CSCL 軟體教導式軟體模擬式軟體. Recurrent On-Line Synchronous Argumentation program COMPASS (3) LoggerPro, response pad system CSILE. 練習式軟體. 力工具軟體. 教學軟體. 概念地圖軟體資料分析軟體 CSCL 軟體教導式軟體模擬式軟體. Dream Weaving Village House SimQuest, Inquire and Solve BVD (branched vision development). 測驗式軟體熱工具軟體. 教學軟體光工具軟體. Scientific. 概念地圖軟體. Inspiration. 資料分析軟體. real-time graphing software, Casio data analyzer and probeware. CSCL 軟體. Dream Weaving Village House. 教導式軟體. Lesson Rainbow, Dream Weaving Village House. 模擬式軟體. Internet Virtual Physics Laboratory (IVPL). 練習式軟體. WISE Cabr`ı Géometrè, Casio data analyzer and probeware Dream Weaving Village House. 資料分析軟體 CSCL 軟體. 40.

資訊科技工具應用於中小學物理科教學 之系統性文獻分析

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