高職學生對擴增實境學習系統接受度之研究─以核子科學生活與安全課程為例

全文

(1)國立臺灣師範大學圖文傳播學系碩士論文. 高職學生對擴增實境學習系統接受度之研究 ─以核子科學生活與安全課程為例 A Study on Vocational students acceptance to Augmented Reality Learning System：The Case Study of Nuclear Science Life and Safety courses. 研究生：張. 家. 指導教授：王燕超. 舜博士. 中華民國 101 年 7 月.

(2) 高職學生對擴增實境學習系統接受度之研究─以核子科學生活與安全課程為例中文摘要由於「核子科學教育」牽涉到沒有辦法讓學生親眼看到或實體碰觸到的核子科學相關物件與內涵，在面對模糊、不確定性高的專業內容，將影響核子科學教育傳達之理念，因此，以新媒介融入核子科學教育，勢必為必要手段。本研究期藉擴增實境(augmented reality, AR)導入「核子科學生活與安全課程」中，以完成學習系統之開發，為達研究目的，以台北市松山家商二年級學生為研究對象，透過問卷設計來量測使用者對於此學習系統的接受度，同時，更進一步探討不同認知風格(Cognitive Style) 與電腦態度(Computer Attitude)的學生，對於其接受度之影響關係，以作為未來建構此類學習系統設計與運用之參考依據。根據研究背景與動機，其研究結果如下：一、高職學生對於此擴增實境學習系統具有良好的接受度。二、高職學生電腦態度與認知風格兩自變項在接受度之交互作用未達顯著關係。三、不同電腦態度的高職學生對於此擴增實境學習系統之接受度有顯著差異。四、不同認知風格的高職學生對於此擴增實境學習系統之接受度有顯著差異。五、高職學生電腦態度與認知風格兩自變項在接受度(外顯行為構面)之交互作用未達顯著關係。六、不同電腦態度的高職學生對於此擴增實境學習系統之接受度(外顯行為構面)有顯著差異。七、不同認知風格的高職學生對於此擴增實境學習系統之接受度(外顯行為構面)沒有顯著差異。八、高職學生電腦態度與認知風格兩自變項在接受度(內在感受構面)之交互作用未達顯著關係。九、不同電腦態度的高職學生對於此擴增實境學習系統之接受度(內在感受構面)有顯著差異。十、不同認知風格的高職學生對於此擴增實境學習系統之接受度(內在感受構面)有顯著差異。關鍵字：擴增實境、科學教育、核子科學、認知風格、電腦態度、接受度 Ⅰ.

(3) A Study on Vocational students acceptance to Augmented Reality Learning System ：The Case Study of Nuclear Science Life and Safety courses ABSTRACT Science education have a high degree ambiguity and uncertainty, it will affect the effectiveness of teaching and learning, therefore, use new media technologies into the various disciplines of teaching, perhaps it will achieve better learning outcomes. The study use augmented reality into " Nuclear Science Life and Safety courses " in order to complete the development of learning system. For the purpose of study, develop the Augmented Reality learning system ,and the samples are Song Shan High School of Commerce and Home Economics students. Through questionnaire designed to measure the user acceptance to this system,furthermore explore the effect of acceptance on cognitive style and computer attitude to Augmented Reality learning system. Based on the background and motivation, its findings are as follows: 1.Vocational students have good acceptance to Augmented Reality learning system. 2.Vocational students' computer attitudes and cognitive style have no significant interaction below the acceptance to Augmented Reality learning system. 3.There are significant differences between different computer attitude of vocational students to the acceptance to Augmented Reality learning system. 4.There are significant differences between different cognitive style of vocational students on the acceptance to Augmented Reality learning system. 5.Vocational students' computer attitudes and cognitive style have no significant interaction below the acceptance(Overt behavior) to Augmented Reality learning system. 6.There are significant differences between different computer attitude of vocational students on the acceptance(Overt behavior) to Augmented Reality learning system. 7.There are no significant differences between different cognitive style of vocational students on the acceptance(Overt behavior) to Augmented Reality learning system..

(4) 8.Vocational students' computer attitudes and cognitive style have no significant interaction below the acceptance(internal feelings) to Augmented Reality learning system. 9.There are significant differences between different computer attitude of vocational students on the acceptance(internal feelings) to Augmented Reality learning system. 10.There are significant differences between different cognitive style of vocational students on the acceptance(internal feelings) to Augmented Reality learning system.. Keyword：augmented reality、 science education、nuclear science、cognitive style、computer attitude、acceptance Ⅱ.

(5) 目錄中文摘要 …………………………………………………………………………………………Ⅰ ABSTRACT. ……………………………………………………………………………………Ⅱ. 目錄 ………………………………………………………………………………………………Ⅲ 圖目錄 ……………………………………………………………………………………………Ⅳ 表目錄 ……………………………………………………………………………………………Ⅴ 第壹章緒論………………………………………………………………………………………10 第一節研究背景與動機…………………………………………………………………………10 第二節研究目的…………………………………………………………………………………12 第三節研究範圍…………………………………………………………………………………12 第四節研究限制…………………………………………………………………………………12 第五節名詞解釋…………………………………………………………………………………13 第貳章文獻探討…………………………………………………………………………………14 第一節擴增實境定義與運用分析………………………………………………………………14 第二節核子科學生活與安全課程概述…………………………………………………………38 第三節認知風格相關研究………………………………………………………………………43 第四節電腦態度相關研究………………………………………………………………………50 第五節接受度相關研究…………………………………………………………………………57 第參章研究設計與實施…………………………………………………………………………64 第一節研究架構…………………………………………………………………………………64 第二節研究假設…………………………………………………………………………………65 第三節研究方法…………………………………………………………………………………65 第四節研究對象…………………………………………………………………………………65 第五節研究實施與工具…………………………………………………………………………66 第六節資料處理與分析…………………………………………………………………………75 第肆章研究結果與討論…………………………………………………………………………76 第一節樣本描述…………………………………………………………………………………76 第二節高職學生對於擴增實境式「核子科學生活與安全」學習系統之接受度……………76 第三節不同認知風格與電腦態度的高職學生對於擴增實境式「核子科學生活與安全」學習系統接受度之影響關係……………………………………………………………………78 第四節綜合討論…………………………………………………………………………………91.

(6) 第伍章研究結論與建議…………………………………………………………………………97 第一節研究結論…………………………………………………………………………………97 第二節研究建議…………………………………………………………………………………100 參考文獻 …………………………………………………………………………………………103 附錄 ………………………………………………………………………………………………113. Ⅲ.

(7) 圖目錄圖 2-1 模型、心智模式、實體或現象之關係圖…………………………………………………27 圖 2-2 原始科技接受模式(TAM)架構 …………………………………………………………57 圖 2-3 科技接受模式修正版 ………………………………………………………………………58 圖 2-4 科技接受模式第二修正版 …………………………………………………………………59 圖 2-5 使用者接受模式基礎概念圖…………………………………………………………………62 圖 3-1 研究架構圖 …………………………………………………………………………………64 圖 3-2 擴增實境系統硬體 …………………………………………………………………………68 圖 3-3 魔法書課程內容………………………………………………………………………………69 圖 3-4 每頁左側皆附有擴增實境黑白辨識圖樣 …………………………………………………69 圖 3-5 首頁部份附有「AR 操作說明」及「魔法書下載區」等選項…………………………………70 圖 3-6 各課程章節之分頁右下角皆附有「觀看 AR」選項…………………………………………70 圖 3-7 將電腦所配附之網路攝影機對準頁面 ……………………………………………………71 圖 3-8 於首頁點選相關課程之章節選項 …………………………………………………………71 圖 3-9 進入章節頁面後，再依魔法書所翻頁面點選正確課程 …………………………………72 圖 3-10 點選該課程頁面右下角之「觀看 AR」選項後，即可實施擴增實境學習…………………72 圖 4-1 接受度的估計邊緣平均數圖 ………………………………………………………………83 圖 4-2 接受度(外顯行為構面)的估計邊緣平均數圖 ……………………………………………87 圖 4-3 接受度(內在感受構面)的估計邊緣平均數圖 ……………………………………………91. Ⅳ 第 7 頁，共 141 頁.

(8) 表目錄表2-1 擴增實境與虛擬實境比較表 ……………………………………………………………..15 表2-2 Google學術網路所發表2004年至2010年關於資訊科技與教育關係之論文發表數量…17 表2-3 擴增實境與行動學習運用於學習之比較分析. …………………………………………18. 表2-4 擴增實境與學習的關係. ………………………………………………………………19. 表2-5 擴增實境導入教育的原因. ………………………………………………………………21. 表2-6 擴增實境較適合導入之教育科目投票表決統計表表2-7 類比模型分類. …………………………………24. ……………………………………………………………………………25. 表2-8 擴增實境運用於科學教育的基本內涵 …………………………………………………29 表2-9 擴增實境運用於科學教育案例. …………………………………………………………30. 表2-10 擴增實境魔法書使用益處 ………………………………………………………………36 表2-11 核子科學生活與安全課程發展的重要因素 ……………………………………………37 表2-12 教育、產業、國家安全層面「核子科學通識教育課程」之建議 ……………………42 表2-13 「場地獨立性」及「場地依賴性」之差異分析 ………………………………………45 表2-14 認知風格與學習的關係 …………………………………………………………………47 表2-15 電腦態度與電腦相關學習的影響關係 …………………………………………………51 表2-16 國外學者使用過的電腦態度量表 ………………………………………………………52 表2-17 希臘電腦態度量表(GCAS). ……………………………………………………………54. 表2-18 積極電腦態度者及消極電腦態度者之內涵比較 ………………………………………56 表2-19 科技接受模式(TAM)「使用行為意圖」及「實際使用行為」變項定義……………58 表2-20 修正後的科技接受模式(TAM)「行為意圖」及「使用行為」變相定義 ……………58 表2-21 科技接受模式修正第二版(TAM2)「使用行為意圖」及「使用行為」變項定義……59 表2-22 科技接受模式優點評析………………………………………………………………… 60 表2-23 理性行為理論(TRA)、計畫行為理論(TPB)及科技接受模式(TAM)比較分析表 ……62 表2-24 「行為意圖」對「實際行為」之關係統計……………………………………………62 表2-25 接受度測量模組整理 ……………………………………………………………………63 表3-1. 各項基本變項之操作型定義. 表4-1. 研究對象人數分配表 ……………………………………………………………………76. 表4-2. 接受度單一樣本統計計量………………………………………………………………76. 表4-3. 接受度單一樣本檢定……………………………………………………………………77. 表4-4. 接受度「外顯行為構面」單一樣本統計計量…………………………………………77. …………………………………………………………64. 第 8 頁，共 141 頁.

(9) 表4-5. 接受度「外顯行為構面」單一樣本檢定………………………………………………77. 表4-6. 接受度「內在感受構面」單一樣本統計計量…………………………………………78. 表4-7. 接受度「內在感受構面」單一樣本檢定………………………………………………78. 表4-8. 受試者間因子……………………………………………………………………………79. 表4-9. 敘述統計. 依變數:接受度………………………………………………………………80. 表4-10 兩個因子之細格與邊緣平均數整理表…………………………………………………80 表4-11 受試者間效應項之檢定依變數：接受度………………………………………………81 表4-12 估計的邊際平均數(電腦態度) 依變項:接受度 ………………………………………81 表4-13 電腦態度平均數差異情形………………………………………………………………81 表4-14 估計的邊際平均數(認知風格) 依變項:接受度 ………………………………………82 表4-15 認知風格度平均數差異情形……………………………………………………………82 表4-16 估計的邊際平均數(電腦態度*認知風格) 依變項:接受度……………………………82 表4-17 受試者間因子……………………………………………………………………………83 表4-18 敘述統計依變數:接受度(外顯行為構面)………………………………………………84 表4-19 兩個因子之細格與邊緣平均數整理表…………………………………………………84 表4-20 受試者間效應項之檢定依變數：接受度(外顯行為構面)……………………………85 表4-21 估計的邊際平均數(電腦態度) 依變項:接受度(外顯行為構面)………………………85 表4-22 電腦態度平均數差異情形………………………………………………………………85 表4-23 估計的邊際平均數(認知風格) 依變項:接受度(外顯行為構面)………………………86 表4-24 認知風格平均數差異情形………………………………………………………………86 表4-25 估計的邊際平均數(電腦態度*認知風格) 依變項:接受度(外顯行為構面) …………86 表4-26 受試者間因子. …………………………………………………………………………87. 表4-27 敘述統計依變數:接受度(內在感受構面)………………………………………………88 表4-28 兩個因子之細格與邊緣平均數整理表…………………………………………………88 表4-29 受試者間效應項之檢定依變數：接受度(內在感受構面) ……………………………89 表4-30 估計的邊際平均數(電腦態度) 依變項:接受度(內在感受構面)………………………89 表4-31 電腦態度平均數差異情形………………………………………………………………89 表4-32 估計的邊際平均數(認知風格) 依變項:接受度(內在感受構面)………………………90 表4-33 認知風格平均數差異情形………………………………………………………………90 表4-34 估計的邊際平均數(電腦態度*認知風格) 依變項:接受度(內在感受構面) …………90 Ⅴ 第 9 頁，共 141 頁.

(10) 第壹章緒論第一節. 研究背景與研究動機. 所謂他山之石可以攻錯，鑑於歷史上核子事故頻傳，加諸日本於 2011 年 3 月 11 日發生福島核災後，頓時掀起全球性的核子危機。隨著經濟發展，台灣於 1960 年代起，陸續完成核子一至三廠的興建，後又因用電量激增，民國 88 年開始建置核四廠(新北市貢寮區)，由於各國陸續發生核電廠事故，核電廠的安全問題便備受關切，加上我國位處地震帶，一但發生意外，將直接衝擊我中樞地區及人口密集的北部地區(約 600 萬人)，造成的傷將無法估計，有鑑於此，我國應引為借鏡並加強民眾相關核子科學知識，以防患未然。奠定正確的生活知識與能力非常重要，由於國內近年亦陸續發生輻射鋼筋、輻射道路、輻射尾礦等輻射污染事件，一般民眾在缺乏相關知識與背景的情形下被大眾媒體牽著鼻子走，以致於省略了檢視查證的科學步驟，繼而成為以訛傳訛的與論造成人心惶恐，所以，要讓全體國民能夠在現代的科技社會中，養成就核子知識與科技相關議題進行溝通、制定決策與解決問題時所需的知識與能力，絕對是最基礎與最重要的課題。環保的注重同樣越來越被政府及民間重視，近年來放射性廢棄物的議題如火如荼的在國際間發燒，許多不孝業者將工廠中富含放射性物質之廢料隨意丟棄，以致於肇生對於環境及人類的嚴重危害，因此，國人亦須正視放射性廢棄物的污染危害內容、來源、相關知識及建立正確的防護能力，以防止廢棄物的放射性物質對環境或人體造成危害。俗話說的好，謠言止於智者，近期諸多媒體、報章雜誌等針對民眾所優心的輻射問題，傳達及宣稱紅酒中存在的化學物質有助延年益壽；但在原能會出面說明後，證實紅酒只能加速排出侵入體內的輻射液體，並不是喝了就不用怕輻射，才解除荒誕、不實的無稽之談。面對諸多相同情形，就好像電影情節般，雖然引人入勝，但真實性卻付之闕如，但不管如何，大眾皆需透過小心的求證與諮詢，才可以確定是否為正確的訊息，因此，民眾應培養基本的核子科學相關知識，才能有效破除迷思並終止謠言。面對諸多核子相關議題所突顯出的民眾專業知識之不足，對於有效落實全民核子科學基礎知識之教學、傳達、發展及推動策略，必須實施更深入的探討與研究。許多科學教育學者第 10 頁，共 141 頁.

(11) 將科學素養的提昇視為科學教育的首要目標(靳知勤，2002)，也就是說，社會大眾的科學教育已受到世界上各主要國家的重視，其目的不外是提升全體國民的科學素養以厚植國力，一方面要不斷地推動各種不同形式的教育工作，另一方面也要對社會上科學教育欠普及、科學觀念不正確的根本原因實施更為有效的推動策略(張鑑祥，2004)。同時，對於身處四座核電廠之孤島的台灣民眾而言，核子科學相關教育更應普遍推廣與落實(林群智，2006)。由於「核子科學教育」牽涉到沒有辦法讓學生親眼看到或實體觸碰到的核子科學相關物件、裝備內容等問題，以致於學生在學習過程中無法提起興趣及注意力，在面對模糊、不確定性高的專業內容下，將影響教學成效並造成學習效果欠佳，加諸內容牽涉高危險性，學生不可能親自至實際的場景完成學習的任務，更別說能有效落實核子科學教育的傳達理念。吳美美(2009) 建議以新媒介融入各學科教學，以達到更好的學習成效，如以科學教學為例，媒體可協助科學教育：壹、更易於了解複雜的科學現象；貳、協助學生思考的過程，使科學現象得以清楚顯見；參、使學習者可以觀察、預言和測試他們有關現象的各種看法；肆、提升有關科學的溝通和討論；伍、可進行各種不同形式的溝通(口語、圖文影像)，同時，學生也可透過媒體產品展示及討論，以表達他們對科學概念的理解。相對的，擴增實境被運用在發展學習系統而達到學習目的已經有多年的歷史，其中包括軍事、醫學、工程設計、機器人、通信、製造及維修、學習等領域，甚至於娛樂、寓教於樂、心理學訓練等都有其運用的案例，亦都有相當好的效果，且其虛擬成像的操作方式使其在運用上較真實物件能突破空間、時間上的限制，十分適合應用於科學學習上(Juan, Beatrice, & Cano, 2008)。Binks(2009)也認為擴增實境提供了一個整體的教育與訓練的成效，且很多的研究都清楚的描述了擴增實境可以有形的增進學習的效果、提供豐富的資源。「擴增實境」最早乃運用於製造飛機的波音公司上，提供其研究員於飛機興建過程中的機體佈線圖上，亦即，裝配、操作與維修複雜機械是擴增實境最早應用的層面(Bestebreurtje, 2010)。正因為如此，許多研究者皆致力於創造及開發擴增實境這套系統工具，因為他是目前唯一一個可以允許任何人在真實世界中看見一個或多個三維物件的先進科技(Shelton, 2003)。雖說擴增實境不一定能解決所有教育層面的問題，但可以肯定的是，它一定是考慮的選項之ㄧ(Kaufmann, 2002) 。第 11 頁，共 141 頁.

(12) 鑒於歷年來的核子事故及相關議題頻傳，全民核子科學基礎知識之養成與素養之奠定乃重要的教育目標，且目前僅具備「全民國防教育─核生化基本防護」之高職軍訓課程概略提及了生活化的核子理論、介紹及防護等相關內容，再加上核子科學教育雖然極為重要且必須，但在教學與學習上卻面臨到抽象與詮釋不易等困境，有鑑於此，發展一個具有學習效果與高互動式的擴增實境學習系統，並藉由高職學生使用後之問卷調查以瞭解其接受度，即為本研究的動機之ㄧ；同時，為瞭解及有效克服內在人格維度對其運用之影響，期透過學生使用後之問卷調查，探討不同「認知風格」與「電腦態度」之高職學生，對於此學習系統接受度之影響關係，即為本研究的動機之二。期許透過此次研究之結果，能作為日後擴增實境導入科學教育發展與運用之參考依據。第二節. 研究目的. 建構符合虛擬視覺化且被學生所接受之擴增實境學習系統，並透過問卷調查的方式，以了解高職學生對於此學習系統的主觀接受度，同時，探討不同認知風格及電腦態度之學生，對於此學習系統接受度之偏好差異為本研究之主要目的，根據研究結果，希冀提供民間推動擴增實境學習系統開發與運用之參考。根據上開研究背景與動機，本研究之研究目的分述如下：壹、評估高職學生對於此擴增實境學習系統之接受度，藉以探討擴增實境學習系統對於導入核子科學教育之運用價值。貳、從高職學生之認知風格與電腦態度之特質，來驗證其對於此擴增實境學習系統接受度之影響關係。第三節. 研究範圍. 擴增實境運用於學習與教育的案例眾多，近年來探討其運用成效之研究亦不勝枚舉。而核子科學生活安全等相關政策與教育之宣傳，乃各國近年來所同步關注之重要議題，加諸擴增實境所賦予之虛擬成像與 3D 互動技術，對於核子科學導入擴增實境之教育運用，有相當大的助益。本研究之研究範圍聚焦於使用者對於擴增實境式「核子科學生活與安全」學習系統使用後之主觀接受度，並探討不同心理特質者對於接受度的影響關係。第四節. 研究限制. 壹、核子科學之種類繁多，如果將所有核子科學教育範疇皆納入研究之範圍，是否會過於龐大而缺乏價值，仍有待進一步研究，而本研究純以當前世局所關注的、面臨到的、生活化的核子科學生活與安全課程為研究的重點。第 12 頁，共 141 頁.

(13) 貳、影響擴增實境學習系統接受度的影響變項選擇很多，是否未列入的外部變項亦具有相當的影響力，仍有待進一步研究，而本研究外部變項之選擇重點，主要以近年來較多探討於電腦學習應用，且會影響資訊學習及接受情形之外部變項為主要選擇目標。參、研究對象的層面廣泛，不同的研究對象對於此科技使用之接受度是否有差異性，仍有待進一步研究，而本研究主要針對參與軍訓教育課程之高職二年級學生為主要研究對象，以減少分析複雜度及增加研究之價值。肆、本研究所選擇之外部變項，針對電腦態度探討之部分，是否身處數位落差地區學生的電腦態度好壞會干擾研究之準確性與客觀性，實有待進一步研究與探討，本研究僅針對非數位落差地區之都市學校的學生為主要研究對象，以減少無關變項之衍生。伍、本研究之研究對象以台北市立松山家商之學生作為研究之範疇，所以研究結果不宜過度推論至全台所有不同辦學模式之高中職學生，避免造成選擇性的偏誤。第五節. 名詞解釋. 壹、擴增實境(Augmented Reality)：本研究之擴增實境係指將電腦所產生之虛擬物件或資訊，與現實世界的場景結合，就如將原本在電腦的 3D 物體影像融入於即時的現實影像，彷彿存在眼前的場景中。貳、認知風格(Cognitive Style)：認知風格係指個人對資訊處理的知覺、記憶、問題解決和學習的傾向，它雖然是一種非關智力的個人特質，但卻會影響到使用者的學習，因此在探討學習時，其經常被拿來探討對於學習的影響。本研究之認知風格類型，係指高職學生潛藏於內在心理且會影響外顯行為的認知形式，包括場地獨立性及場地依賴性兩種。參、電腦態度(Computer Attitude)：電腦態度係指一個人對電腦所產生諸如信任感、興趣、恐懼或自信等態度，以及是否願意使用電腦來解決問題的傾向。本研究之電腦態度係指高職學生對電腦所產生諸如信任感、興趣、恐懼或自信等態度，以及是否願意使用電腦來解決問題的傾向，包括積極電腦態度及消極電腦態度。肆、接受度(acceptance)：接受度係指個人執行特定事物行為意願的強度，當個人對某一科技的使用行為意圖愈強，表示愈能接受且可能去使用該科技。本研究之接受度係指高職學生運用擴增實境式「核子科學生活與安全」學習系統實施學習時，使用意願的程度。. 第 13 頁，共 141 頁.

(14) 第貳章文獻探討擴增實境之運用，長久以來一直被學者拿來實施研究與探討，然而事實上，擴增實境運用於教育之層面、類型，以及學者之間的個別差異，皆有可能影響到最後的研究結果、價值及對於學習系統的接受情形，因此，預期之運用成效是否能達成，所需考量的點就非常的多。本章根據研究目的，分別就「擴增實境定義與運用分析」、「核子科學生活與安全課程概述」、「認知風格相關研究」、「電腦態度相關研究」及「接受度相關研究」五節，進行相關文獻與知識之探查，以利作為後續研究設計與實施之立論基礎。第一節. 擴增實境定義與運用分析. 擴增實境增強了我們感官所能感知的訊息，其第一次的應用，乃出現於 20 世紀 60 至 70 年代間，而在 20 世紀 90 年代後，被廣泛的運用於各大型公司的可視化訓練及其他目的上，如今，憑藉科技的發展，擴增實境已經具有強大的功能及用途被運用於個人電腦及行動裝置上(Johnson & Adams, 2011)。為凸顯擴增實境於本研究之重要性，以及為何本研究不考慮當前盛行之虛擬實境等相關科技，故本節期透過「擴增實境的定義」、「擴增實境顯示方式」、「擴增實境與學習的關係」、「擴增實境導入教育原因分析」、「科學教育之意涵」、「擴增實境運用於科學教育之案例分析」及「擴增實境魔法書運用模式」等相關研究之探討，以闡述擴增實境運用於科學教育之價值與必要性，並作為後續研究探討之立論基礎。壹、擴增實境的定義擴增實境的主要目標乃藉由與真實世界的互動，以增強使用者的感知(Maqableh & Sidhu, 2010)。擴增實境乃虛擬實境的變化體(Arusoaie et al., 2010)，在過去的幾年當中，其被認為是最有前瞻性的電腦科技之ㄧ，在這段期間，各式各樣的創新應用已被相繼的開發與研究，顯而可見其在日常生活中的重要性不言而喻(Liarokapis, Petridis, Lister, & White, 2002)。所以，不管是教育、軍事、廣告等領域，都有其相關運用的研究或案例，簡單來說，擴增實境允許使用者在真實的世界中，看見虛擬物件疊加或合成於真實的世界中，所以說，其補足了現實世界的不足，而不是完全的取代它(Kaufmann, 2003)。憑藉擴增實境的幫助，我們生活周遭的資訊變得具有互動性，換句話來說，擴充是即時的，就像是電視中的實況轉播運動賽記分板一樣(Shamsuddin, Rajuddin, Mohd, Ahmad, & 第 14 頁，共 141 頁.

(15) Baharudin, 2010)。而使用者一定也是以一種較自然的方式藉由擴增實境與 3D 資訊實施互動，就好像是在真實的環境中與各式 3D 虛擬物件實施互動一樣(Liarokapis et al., 2002) 。Kaufmann(2003)認為擴增實境的使用，具備以下三個條件：一、結合真實與虛擬。二、提供即時性的互動功能。三、在 3D 空間內作業。 Carmo 等人(2007)認為擴增實境就是將電腦生成的虛擬物件補充於真實的世界中，彷彿共存於同一世界中，可區分為以下四個條件：一、它將真實與虛擬物件融合於真實的環境。二、它提供即時性的互動。三、它統整了真實與虛擬物件。四、它適用於使用者的所有感官。既然說擴增實境是虛擬實境的進化，而其差異究竟為何，透過表 2-1 將擴增實境與虛擬實境之間的差異性實施比較：表2-1 擴增實境與虛擬實境比較表差異性. 擴增實境. 虛擬實境. 環境. 相同空間且即時的將真實與虛擬物件混成於真實環境中，可以說是一個即時的互動系統。. 需要一個完全沉浸式的虛擬世界環境以取代真實世界，亦即獨立區別於真實環境，符合純粹的虛擬場景。. 使用者視覺. 允許使用者在真實環境之下觀看虛擬物件. 使用者只能看到虛擬環境. 空間需求. 不用要擴增實境藉由特殊圖卡，將虛擬最為人知的就是暈車問題，人腦由於健康問題物件疊加於真實世界中，解決了不能馬上區別虛擬與真實的差異性，暈車問題。常常肇生噁心、頭痛的情形。使用者感覺舒適且能夠掌控真實由於視覺鎖定於虛擬環境中，所以使安全性環境。用者感覺不安全。沉浸感無─低中─高資料來源：“Using augmented reality for supporting learning human anatomy in science subject for Malaysian primary school,”by H. W.Rosli , F.Baharom, F.Harun, A. Y. Daud, H. Mohd and N. M. Darus, 2010, Regional Conference on Knowledge Integration in ICT 2010, Malaysian, Kedah.；“Augmented reality for the 第 15 頁，共 141 頁.

(16) improvement of remote laboratories: an augmented remote laboratory,”by J. M. Andújar, A. Mejías and M. A. Márquez, 2011, IEEE, 492 – 500. 由於虛擬實鏡欠缺直接的感官回饋，而只提供使用者有限的「現實主義」經驗，再加上往往需要很大的計算資源，且對於即時模擬複雜的產品裝配程序，較難去達到滿足的條件(Song, Jia, Sun, & Gao, 2009)；所以，擴增實境的出現，似乎解決了以上的問題。 Juan 等人(2005)更相信擴增實境也可以使用於治療一些心理的障礙，雖然擴增實境與虛擬實境都具有更勝於一般治療方式的強大優勢，但由於擴增實境能夠讓患者在真實世界中藉其手、腳與虛擬物件完成互動，也可以利用最少的時間與成本達到背景環境的再造與使用，因此，其價值性更勝虛擬實境。貳、擴增實境顯示方式擴增實境有以下四種顯示方式：一、視覺透視(See-through)顯示方式指的是使用者透過顯示裝置，直接看到周圍的環境，同時，顯示器也可以將虛擬的物件、圖像顯示在顯示器當中，因此，此方式可以達到最大的擴增實境效果(陳連福、李孟軒，2007)。要達到視覺透視的顯示效果，通常是利用分光鏡的原理，分光鏡是一既可以反射光也可以讓光穿透的玻璃，將分光鏡擺在使用者前方的正確位置，就可以讓電腦顯示的影像反射到使用者眼中，又可以讓周遭的光線穿透進來，達到視覺透視的顯示方式(戴廣欽，2005)。二、顯視器(Monitor based)顯示方式顯示器模示的顯示方式，乃利用頭戴式小型攝影機，透過電腦將攝影機所攝得的畫面與合成的電腦影像結合，再將合併後的畫面呈現在一不透明的頭戴示顯視器或螢幕上，因此，若攝影機拍攝方位與使用者的眼睛所看到的方位接近時，使用者所看到的畫面就近似於使用者的視野。三、網路攝影機方式網路攝影機是現今較符合現代人生活趨勢所使用之裝置，透過網路攝影機的使用，能夠讓擴增實境更能融入日常生活中(陳連福、李孟軒，2007)。其運作流程乃利用電腦週邊輸入與輸出設備完成影像的顯示，首先，利用攝影機定義圖卡，此圖卡運用明顯黑. 第 16 頁，共 141 頁.

(17) 色框架及黑白顏色之簡易圖形，透過電腦辨識之方式，使電腦偵測圖卡後依照設計者在資料庫中之設定值，於螢幕上顯示所對應圖卡之影像。四、手持裝置方式這也許是擴增實境發展最快的顯示領域，而且有可能成為第一個發展為普世模式的擴增實境系統，蘋果手機及 Google Android 平台也已經利用擴增實境科技去發展出相關的衛星導航及資訊系統，如今已有許多的文獻使用手持式擴增實境系統來實施研究 (Binks, 2009)。在許多的個案研究中，鑒於操作性及費用因素，頭戴顯示器的使用通常都顯示出不可行的結果(Jeon, Shim, & Kim, 2006)。總而言之，不管擴增實境的顯示與創造方式為何，只要可以滿足現狀，且其基礎設施是低成本的，將造就其不可取代的一大優勢(Maqableh & Sidhu, 2010)；之後再透過固定流程如「影像分割」、「特徵提取」、「標記偵測」、「攝影機方向」、「渲染」及「擴增顯現」，即能完成最後擴增實境的效果(Azuma, 1997)。Pengcheng 、Mingquan 與 Xuesong(2011)認為，電腦與網路攝影機是現今非常受歡迎的基本工具，其對於擴增實境裝置之設置來說，是非常容易被取得並廣泛運用於各式種類的教育學院、研究所甚至是家庭之中，因此，這種基礎的顯示模式對於當前來說，不但花費最少，對於課堂上的實驗證明亦具有絕對的用處。參、擴增實境與學習的關係近幾年來，探討擴增實境與學習、教育關係的研究越來越多，幾乎所有相關的研究數量皆逐年攀升，由此可見擴增實境與學習、教育間的關係已越來越密切也越來越重要，結果如表 2-2 所示：表 2-2 Google 學術網路所發表 2004 年至 2010 年關於擴增實境與教育關係之論文發表數量年份 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010. 擴增實境(AR)與教育關係之論文數量 202 214 244 260 282 306 329 第 17 頁，共 141 頁.

(18) 資料來源：“New technology trends in education: Seven years of forecasts and convergence ,”by S. Martin, G. Diaz, E. Sancristobal , R. Gil, M. Castro and J. Peire, 2011, Computers & Education, 57. 使用資訊科技(IT)於教育，可以使學生於學習的過程中增加積極、吸引力、激勵性、模擬化與有意義性，同時，教育系統的改變可把基礎的學習轉化為更具吸引力與創造力的教育(Sumadio & Rambli, 2010)。使用資訊科技(IT)於教育已經是這幾十年來眾所周知的訊息，資訊科技可以創造新的學習機會，而擴增實境早已被公認為可以讓使用者在真實與虛擬世界中產生互動的科技，同時，具有潛力於提升學習的過程及學習健康的活動 (Hsiao & Rashvand, 2011)。許多教育學者與研究人員亦都期許能夠藉由新科技去提昇、支持學齡兒童的學習(Hornecker & Dünser, 2007)；在眾多文獻的應用中，認為利用擴增實境來建立老師與學生間合作式的教學互動，不但可以讓學生看到本來在書本上所看不到的 3D 物件，對於複雜的空間概念亦能夠很容易的進行學習(Kaufman, 2003)。而 Juan、 Beatrice 與 Cano(2008)也同樣認為已經有很多的研究透過擴增實境來達到學習目的。許多不同的科技應用導入於學習之相關研究不斷進行，Liu(2009)將擴增實境學習歸納為「無所不在」(ubiquitous)的學習環境，並將之與時下同樣火熱的行動學習(Mobile learning)實施比較，以剖析擴增實境運用於學習的重要價值，比較內容如表 2-3 所示：表 2-3 擴增實境與行動學習運用於學習之比較分析特徵. 擴增實境(AR). 行動學習(Mobile learning). 永久性學習過程、學習者行為及環境情形都 (Permanency) 記錄在永久性的學習系統中。. 只有學習過程永久的紀錄在學習系統中。. 無障礙網路已經於整個環境當中，使用者可 (Accessibility) 以於任何時間、地點得到訊息。. 使用者必須先完成連網，才可以獲得想要的資訊。. 直接 (Immediacy). 使用者可即時的獲得有用的訊息，並且於學習的環境中獲得即時的回應。. 使用者必須花費大量的時間以找尋學習的內容。. 學習者不只可以與老師、同儕、學習互動性裝置、數位內容互動，還能夠與真實 (Interactivity) 環境產生互動的感覺。. 學習者只能和老師、同儕、學習裝置與數位內容實施互動。. 場合性 (Situation). 學者幾乎是在虛擬的環境中獲得真實的知識。. 學習者可以在真實的環境中獲得真實的知識。. (續下頁) 第 18 頁，共 141 頁.

(19) 特徵. 擴增實境(AR). 行動學習(Mobile learning). 學習的裝置是安靜的，無形的代理者隱藏在學習環境的背景中。. 學習者藉由操作該學習裝置以獲得學習內容。. 適應性學習者可以使用各種裝置以適應改 (Adaptability) 變的學習環境。. 學習者使用指定的設備(裝置)以適應固定的環境。. 無接縫性學習過程不會因為學習者的移動而 (Seamlessness) 受到打擾。. 學習者位置的改變，會打擾學習的過程。. 當學習者與虛擬物件及真實環境在真實的世界中實施互動時，能體會真實的感覺、情感。. 學習者只能藉由行動裝置，與虛擬物件及環境實施互動。. 平靜性 (Calmness). 沉浸性 (Immersion). 資料來源：“A context-aware ubiquitous learning environment for language listening and speaking, ”by T. Y. Liu, 2009, Journal of computer assisted learning , 25, p. 515–527. 透過上表之比較，擴增實境不管在任何的特徵表現上皆優於行動學習，所以，擴增實境的應用價值不言而喻。以下歸納眾多學者所認為擴增實境與學習之間的關係，藉以突顯本研究擴增實境導入學習系統之必要性與價值性，如表 2-4 所示：表 2-4 擴增實境與學習的關係學者(年代) Liarokapis 等人(2004) Chen、Su、Lee 與 Wu(2007). 擴增實境與學習的關係教學內容傳遞之豐富性，可以透過觀看多媒體內容或網際網路來達成，尤其是以桌面型的擴增實境顯示方式為佳。擴增實境在過去幾年中逐漸成長，雖然其在教育領域中還是初生之篤，但亦有多個研究顯示出其對於教育學習的應用上具有廣大潛力。. Juan 等人(2008). 擴增實境被用在發展學習系統而達到學習目的已經有多年的歷史，其中包括軍事、醫學、工程設計、機器人、通信、製造及維修、學習等領域，甚至於娛樂、寓教於樂、心理學訓練等都有其運用的案例，都有相當好的效果。. Blagg(2009). 擴增實境給予我們一個途徑，去重新捕獲學子的注意力，所以，雖然學子對於學科是感到抽象且不感興趣的，但擴增實境則能夠建立其對於學科的興趣與熱忱。. Gutiérrez、Saorín、 Contero 與 Alcañiz(2010). 擴增實境提供了解決方案及益處於各種知識領域上，在教育領域中，我們可以運用這種技術於學習內容上，同時，可以以「引人入勝」的方式來完成技能的培養。 (續下頁). 第 19 頁，共 141 頁.

(20) 學者(年代). 擴增實境與學習的關係. Zainuddin、 Zaman 與 Ahmad(2010). 擴增實境可以幫助耳聾學習者獲得視覺素養，以便學習科學及培養適當的科學處理技能。. Li(2010). 「教育」需要藉由擴增實境提供學生更生動逼真的研究環境，讓每一個學生能夠以更自然、更直觀的方式去從擴增實境所提供的環境中獲取知識，如今，擴增實境已經越來越成熟，憑藉其獨特的優勢，一定能夠在教育領域中扮演重要的角色。. Maqableh 與 Sidhu(2010). 由於電腦和傳播技術的使用，以及教育與學習科技的提升，正引領著擴增實境服務技術的出現。. Johnson、Smith、 Levine 與 Haywood(2010). 擴增實境之前瞻性，乃由於其可以運用於虛擬及高度互動形式的學習，允許疊加資訊於真實世界，就好比模擬動態過程一樣容易，更難能可貴的是，其運用的層面似乎是無止盡的。擴增實境已經成為可攜式學習工具，擴展資訊的獲得，使學生可以參觀歷史景點、從事野外工作、與真實世界的物件互動，甚至是翻閱書籍等。. Watanuki 與 Hou(2010). 擴增實境運用於學習上，學習者可以在有限的時間與成本上完成學習。. Andújar、Mejías 與 Márquez(2011). 很多的研究都顯示，擴增實境對於「知識」領域的部份擁有很大的運用潛力，包括在教學與學習方面。. Iwata、Yamabe 與 Nakajima(2011). 以擴增實境為基礎的學習如與虛擬實境或電腦應用相比較，具有相當的優勢，擴增實境可以提供物理性的互動，所以可以被直觀的運用於實際使用上，以獲取相關的技能與知識。. Ko、Chang、Chen 與 Hua(2011). 使用擴增實境於教育設計上，有利於學生的學習，若教學系統的設計能更具直觀使用、攜帶方便、靈活彈性等，對於現在教育的學習亦具有功能性，能達到提升學生學習結果及縮短學習的時間。. Johnson 與 Adams(2011). 擴增實境的主要特性，就是其有能力去回應使用者的輸入，透過這種互動性，可以提供強大的潛能於學習及評估的各種應用上，有了它，學生可以在真實環境中憑藉與虛擬物件的互動，來建構新的知識與瞭解。動態的過程、豐富的數據及過大或過小的物件，可以在學生個人的活動空間中，以各種形式被隨意操控。. Johnson、Smith、Willis 、Levine 與 Haywood(2011). 擴增實境是一個具有龐大潛力的領域，其能透過高度的視覺及互動形式來達到學習的效果，因為其模擬動態的過程並將之疊合於真實的世界中，是非常容易的。第二個關鍵的特徵乃擴增實境有能力回覆使用者的訊息輸入，其互動性提供了強大的潛力於學習及評估上。. 資料來源：本研究參酌文獻整理。第 20 頁，共 141 頁.

(21) 所以說，擴增實境與學習行為間存在著密不可分的關係。探究原因，乃由於其奠基於現有的真實世界上，而非創造出另外一個真實世界，不僅如此，也是一種能夠帶來經驗與學習的絕佳途徑(Maqableh & Sidhu, 2010)。肆、擴增實境導入教育原因分析時至今日，我們的教育體制及機構對於教學層面總是令學生感到沮喪，講學、記筆記、從書中了解資訊以及最後的期末考試等，總是一直不斷重複進行無效的學習；值得注意的是，除了少數創新的改變外，大多數的教師仍舊繼續使用無效的教學，徒然把教授的筆記變成學生的筆記，但仍然沒有被學生吸收；所以說，真正的學習必須是經驗化的、多感官參與的(聲音、視覺、觸覺、情緒等)等，從這些意義上來說，擴增實境的出現代表著「沉浸式教育」的誕生，它允許了將電腦圖形疊加於真實的世界上(Alcañiz, Contero, López, & Ortega, 2010)。擴增實境是一個能提供科技給參予者的關鍵例子，已經有好一段時間都扮演著主流科技的角色，但都還沒有被完全的使用於教育層面；然而，由於擴增實境成本的下降，一些供應商已經開始去創建一些更有價值的內容於教育上，再加上此科技可以由學生自行創作所屬的擴增實境內容，且憑藉其簡易性及可攜帶性，致使其成為教學與學習的誘人選項(Smith, 2010)。Bolter 與 MacIntyre(2007)認為，融合數位產物及我們對於世界的看法，擴增實境已經成功的改變了我們娛樂與教育的方式。至於擴增實境導入教育的原因為何，透過表 2-5 可以明顯的感受其導入之必要性：表 2-5 擴增實境導入教育的原因原因. 空間依賴. 內容有一些教育的概念需要的是空間的知覺，而不是就單純的 2D 顯示可以理解。就像現今我們常看到一些年輕的學子建構太陽系的模型、高年級的學生利用塑膠球及棒子來製作分子系統。這些行為的發生，歸咎原因在於學生可以藉由觀看及操控這 3D 空間裡的物件題材，來獲得全面性的瞭解。ㄧ個 3D 物件允許使用者從多面向、多角度的檢查，來瞭解、驗證一個物件的變化，否則，可能會被忽略。 (續下頁). 第 21 頁，共 141 頁.

(22) 原因. 內容. 資源與安全. 擴增實境可以提供學習者虛擬資源；以往的學生必須藉由塑膠球及棒子來製作分子系統的模型，然而，假如在資源不足的教室裡，就有可能沒辦法提供每個學生足夠的需求。如果是較複雜的模型，就可能沒辦法完成完整的模型製作；相對的，如果學生使用擴增實境，所有的資源都不虞匱乏，能夠很容易的複製、貼上結構或內容，在這種情況下進一步擴展到化學，在處理相關化學模擬實驗的場景上，似乎提供了絕對的安全性。. 實地考察. 在我們這種訴訟文化的增長下，學校旅行似乎是越來越少，即使在這種轉變的發生之前，有些地方我們還是沒辦法去訪問、考察，例如長期被破壞的歷史建築、核電廠的核心、沙哈拉沙漠的中心或火星表面。藉由擴增實境，教室裡可以每天都對這些位址進行考察，不管是個人、團體或不同國家的人。. 合作. 當兒童在一個 IT 資源作業時，會不知不覺的被吸引到一個共同的工作平台，就像是有一些案例，當分予每個兒童筆記型電腦後，發現有些孩子會聚集圍繞在同一個機器上，而其他電腦則會被忽視。這種案例代表的意義，就是說只有一個小孩可以在所處的當下操作機器，而其他的同學則扮演觀察者的角色，沒有機會去嘗試活動，所以就沒有學習的事件發生；而擴增實境則提供了學生們於同一時間的互動式訪談模式。. 動覺經驗. 這些因素最終導致一個規則，就是允許學生更徹底的藉由其從事的題材進行學習。它可以促進學生的主動學習、體驗式學習、合作學習，學生可以掌握自己在這擴增實境的環境中，獲得豐富的資源與設備進行實驗，透過自己成功的轉變為學習型社會的成員。. 因應教育條件的不足所構成. 有一些教育實驗很難被建立的原因，乃基於實驗儀器的欠缺或場地、教育開支等問題；擴增實境系統可彌補這些缺陷，就算不提供學生一些更好的設施，仍然可以在真實環境的寫實生活中，藉由在物理系統中創造虛擬物件、模型或特別的情形，而達到實驗的目的。學生可藉由控制本地的虛擬對象，而完成操作遠地實驗物件之目的。. 避免真實實驗或操作所帶來的危險. 一般有危險性和傷害性的實驗，通常只能透過視訊紀錄的方式達到接觸的效果，而學生不能直接參加實驗並獲得感官的認知。在這種情況之下，擴增實境取代了直接操控真實的實驗物件，這將成為一種大家都喜歡的方式，取而代之的是控制虛擬的版本而非真實的實驗物件。學生即時的操控本地虛擬物件，其結果乃隨之呈現在真實世界的場景中，因此，學生可以安全的進行一些可能會對人類造成危害的實驗，例如化學實驗、手術操作訓練、軍事飛行訓練等。. 打破空間及時間的限制. 使用擴增實境，空間的限制可以被打破，大從天體、小至原子粒子，學生可以藉由進入其內部而觀看到其結構；例如在部件訓練的應用，工程師可以藉由進入其內部或組件而研究其結構。擴增實境同樣也可以打破時間的限制，例如一些進化的過程可能需要經歷數百年觀察、實驗才得以呈現，而擴增實境則可以讓其在短時間內透過模擬程序而完成審議，例如孟德爾定律的模擬。 (續下頁) 第 22 頁，共 141 頁.

(23) 原因. 內容. 角色圖樣的虛擬化. 擴增實境可以虛擬化歷史人物、偉人、名人，進而創造一種更直觀的學習環境。除此之外，學生可以在這樣的環境下與虛擬人物進行更好的、真實的互動，進而幫助學生提高對知識的瞭解。此外，擴增實境可以藉虛擬角色提供自然的目光和非語言的傳遞線索。在魔法書的應用中，多個使用者可以沉浸在虛擬的場景中，他們彼此可以看到對方所代表的虛擬角色，並且可以觀看虛擬場景的內容。由於傳統遠距教學過於空泛，造成許多任務很難被實現；由於網際網路技術的成長，所以擴增實境的遠距合作帶來了不少利益。基於上述功能，擴增實境運用於教育確實提升了遠距教育的功效，擴增實境遠距教學可以建構一個以其為基礎之互動式遠距教學系統，允許分隔兩地的師生一起執行教育任務。擴增實境遠距教學包含了擴充視訊的形成、傳輸、現場同步與有形擴增實境的溝通和合作。. 資料來源：“The impact and potyential future impact of augmented reality on education,”by T. Binks, 2009, Manuscript submitted for publication, 除上表所整理之內容外，Hamilton(2011)亦將擴增實境導入教育所具備之潛能描述如下：一、提供豐富的文本學習，讓學習的個體能夠很容易的去學習技能。二、呈現了建構性的概念於教育學習上，使學生可以自由控制自身的學習步調。三、提供更真實的學習情境，並能呈現多樣的學習型態。四、實現學生以往不可能達到及從事的學習方式。五、能夠提供每個學生擁有自身獨特的發掘路徑。所以，擴增實境確實提供了一個整體的教育與訓練成效，很多的情形都清楚的描述了擴增實境可以有形的增進學習的效果、提供豐富的資源且有益於學習者(Binks, 2009) 。正如張昊勻與陳菁惠(2010)於「擴增實境學習系統開發之研究」中所作出的結論，認為擴增實境應用在教育上的好處包括「學習的新鮮感」、「互動性」及「增加空間概念」等，確實是有其運用的價值。 Sayed、Zayed 與 Sharawy(2011)針對擴增實境適合運用於何種教育科目實施投票表決，結果顯示出科學教育/生物獲得最高的投票率 35%，所以，擴增實境導入於科學教育與生物教學，較能夠獲得學習的成效，投票結果如表 2-6 所示：. 第 23 頁，共 141 頁.

(24) 表 2-6 擴增實境較適合導入之教育科目投票表決統計表教育課目. 歷史紀錄產業. 語言數學/方程式. 化學. 物理. 科學教育/生物藝術設計. 投票數. 10. 6. 10. 18. 13. 41. 20. 比例. 8%. 5%. 9%. 15%. 11%. 35%. 17%. 資料來源：“ARSC: Augmented reality student card An augmented reality solution for the education field,”by N. A. M. E. Sayed, H. H. Zayed and M. I. Sharawy, 2011, Elsevier, p.1045-1061. 伍、科學教育之意涵一、科學教育的定義 1982年，美國國家科學教師學會指出科學教育的目的是在發展具有科學文化素養的個人，使個人能瞭解科學和社會是如何影響彼此，以及個人如何運用他自己的知識為每天的事物作決定，因此，培養具有科學文化素養的個人，使其擁有知識基礎、概念網路及過程技能，而這些可使個人能實施有邏輯性和持續性的學習，同時使個人欣賞社會中科學和科技的價值，並瞭解他們的極限（DeBoer, 2000)。魏明通(1997)將科學教育分為廣義及狹義兩個定義：狹義的科學教育泛指各級學校內有關數學、物理、化學等課程、教材、教法等研究工作與活動；廣義的科學教育包括學校科學教育與社會科學教育，而以培養並提高全民科學素養(science literacy)的教育，使每個人都能夠適應現代生活的教育。近年來，社會大眾的科學常識以及對科技問題的認識與了解，似未能因為科技的快速進步與資訊傳播的便捷而提升，為了消除以上的不正常現象，強化社會大眾的科學教育應是可行的作法(張鑑祥，2004)。但是范宣（P.J.Fensham）則強調，1960年代以來的科學課程，皆過度重視量化及抽象的科學知識，過份強調科學家的過程技能，這種高度科學專業化並忽視學生生活與社會實用的課程，只適合少數的菁英，大部分的學生無法在這些課程裡發展，於是這些課程導致當時科學教育只滿足少數菁英份子，因此，他強烈主張科學教育應全民化(Fensham, 2004)。. 第 24 頁，共 141 頁.

(25) 二、科學教育課程的複雜系統觀隨著時代的演進、社會的變化與科技的進步，人類在面對科學及科技的時代所需具備的科學素養也隨之改變，使得科學學習與教學的目標及方法也必須有所調整，因此學校正式的科學教育，以及家庭和社會非正式的科學教育，都左右人們對科學的認知以及面對科學、技學問題時所採取的態度( 邱美虹、周金城，2005)。針對科學教育課程之設計，乃注重較重要的科學、技術和社會議題相關之科學知識和科學過程技能等的統整學習和應用，強調科學的教學與學習應該與技術及社會議題相結合，而不宜僅注重學科概念內容之完整性，課程設計注重基本科學能力的培養，教材內容以能培養基本科學能力為取捨依據(鄭湧涇，2006)。然而，現今的科學教育課程卻有必要重新思考如何去解決複雜系統觀的問題，許多學習困難的發生，正是因為許多的科學現象具有複雜系統的特性，如突現、非線性、無中央控制、不可預測、自組織、階層性等，而這正與學生的直覺相左，學生會用直接、線性、有中央控制、可預測的角度來認識科學現象的起因，正因如此，使得他們更加難以理解諸如生態系統、分子碰撞等科學概念，因而造成許多迷思概念的產生(湯偉君、邱美虹，2007)。而邱美虹與劉俊庚(2008)認為，在科學的學習與實踐上，模型與建模扮演著相當重要的角色，模型的型態或結構可以減少其所呈現現象的複雜性，讓抽象理論更易被理解，為了突顯模型乃科學教育主要的教學與學習工具，其透過整理將Harrison與 Treagust的類比模型實施分類歸納，結果如表2-10所示：表2-7 類比模型分類類別. 科學和教學模型. 次類別. 尺度模型 (scale models). 描述尺度模型通常反映了外在的比例，但是很少顯示內在結構、功能和效用 (Black, 1962 ；引自 Harrison & Treagust, 2000)。尺度模式由於是實體的放大或縮小，因此這種真實性的對應可能會阻礙顯示特定模型與目標物的差異。. 範例. 玩具或類似於玩具的東西，如模型汽車。. (續下頁). 第 25 頁，共 141 頁.

(26) 類別. 次類別. 描述所有在教學與學習使用的類比模型均稱為類比，因為模型與目標物分教育的類比模型享共同的屬性，教師可用模型來解 (pedagogical 釋無法觀察到的實體(如原子與分 Analogical 子)，而讓學生理解。由於，類比模 Models) 型採取一對一的對應關係，因此類比的屬性通常會被過度簡化，或出現誇大的現象。圖像與符號模型圖像或符號是用來作為解釋或溝通 (iconic and 的工具，如化學分子式與方程式是 symbolic models) 化合物與化學反應的符號模型。. 用來建立概念知識的教學類比模型. 數學模型 (mathematical modes) 理論的模型 (theoretical models) 地圖、圖表和表格(map, diagrams and tables). 以數學方程式與圖表來表示物理性質與過程，因為它們描述概念的關係。. 範例. 利用水流模型來類比電流。. 如利用 CO2 表徵二氧化碳，但準確來說的話，則需要轉換成OCO，或是 O=C=O。根據波以耳定律 Kline(1985, 引自 Harrison &Treagust, 2000)的觀點，數學模式是最抽象、準確和預測的模型。. 理論模型是人類所建構，用來描述理論的實體。這些模型表徵類型、路徑與關係，而使學生容易產生視覺化。. 如週期表、天氣圖、電路圖、血液循環、家譜。. 許多科學概念是屬於過程，而不是物件概念。然而卻出現一個解釋的困境：教師如何解釋非物質的過程模型描述多概念－過程模型給學生？教師與教科書使用概念－重概念和過 (concept-process 過程模型，但學生無法理解為什麼程 models) 教師對於相同的過程，卻要用不同的模型來解釋。因此，學生常會記憶規則，而不願意去探討其原因。. 如利用輪子在不同材質行進的速率會有不同，造成行進方向的偏轉來解釋光的折射現象。. 模擬 (simulations). 模擬是一種多重動態模型的獨特類別，且模擬模型是複雜的過程。. 如飛機的飛行、全球暖化、核反應，和污染的變化。. 心智模式是「心智表徵的一種特殊形式，一種類比的表徵，是個體在實體、理論和認知運作時產生的(Vosniadou, 1994 心智模式過程的個人 (mental models) p.48 ；引自 Harrison & Treagust, 化模型 2000)」。此外，它可能是不正確的，而且它也因人而異。 (續下頁). 第 26 頁，共 141 頁.

(27) 根據Vosniadou(1994) 的觀點，綜合模型是學生初始模型與科學模型組綜合的模型成的模型。可以是不完整、不科學 (synthetic models) ，但最重要的是具有功能性 (Functional ) 。. 綜合來說，許多學生透過許多模型（如利用太陽系、殼層、電子雲和軌域）來學習原子結構，然而中學生會認為電子殼層是保護的結構－另有概念的形成。. 資料來源：邱美虹、劉俊庚(2008)。從科學學習的觀點探討模型與建模能力。科學教育月刊，314，2-20。另外，透過內隱知識結構與外顯模型的交互作用，使的學習者得以建立起對科學的認識，其結構關係如圖2-1所示：. 圖2-1模型、心智模式、實體或現象之關係圖資料來源：邱美虹、劉俊庚(2008)。從科學學習的觀點探討模型與建模能力。科學教育月刊，314，2-20。由表2-11及圖2-1知道，正因為科學教育及其理論通常非常抽象，若能利用模型來呈現，則將使理論變得容易理解，亦即，在建構主義的哲學觀下，科學的學習需要學生去重新建構概念與產生有意義的內化表徵，並且能夠對其提出合理的解釋與進行有效的溝通，在此過程中模型提供了一個可以結合想像力與背景知識的橋樑，並形成一個可以運第 27 頁，共 141 頁.