臺灣科技大學機構典藏 NTUSTR:Item 987654321/80931

導入表格式心智工具至數位遊戲 學習模式的潛在負面效應

－化學課程應用的反思

廖畬柔

　黃國禎

　賴秋琳

　吳書豪

1國立臺灣科技大學數位學習與教育研究所

2國立臺北教育大學教育學系

3國立臺灣師範大學資訊教育研究所

摘　要

本研究提出基於表格式心智工具的合作學習模式，欲瞭解此模式對學生 之自然科學習成效與感受的影響。本研究的實驗對象為臺灣北部一所國中八 年級兩個班的學生，分別為實驗組與控制組。實驗組在數位遊戲進行過程 中，以小組的方式透過表格式心智工具來完成線上學習任務；控制組在數位 遊戲進行過程中，以小組合作方式完成線上學習任務。其研究結果發現實驗 組認知負荷較高，群體自我效能較低，且兩組學生自然科學習成效無顯著差 異。針對結果與預期的不同，本研究列舉與討論其可能之原因，包含：抽象 概念理解時間不足、學習者面對複雜心智工具的預期心理以及心智工具與遊 戲的整合程度。

關鍵字：遊戲式學習、合作學習、表格式心智工具、群體自我效能、認知負 荷

壹、緒　論

過去的研究指出，過去的傳統學習方法，難以讓學生在學完化學之後，將知識應用在 生活中；其原因是學生難以將課堂上學習到之科學概念與生活情境作結合 （Sirhan, 2007；

Zoller, 1990）。由於電腦科技和多媒體的快速發展，為這個問題提供了解決之道。尤其許

多學者已嘗試透過數位遊戲來進行教學 （Hwang & Wu, 2012；Tobias, Fletcher, & Wind, 2014），學生能與遊戲環境進行互動，嘗試利用科學概念解決生活中會遭遇的問題。過去的 研究發現，數位遊戲不僅可以提供知識應用的情境，更能讓學生跟遊戲互動，增進學習動 機和學習成效 （W. H. Huang, W. Y. Huang, & Tschopp, 2010；Prensky, 2001；Prensky, 2003）。

另一方面，因化學牽扯到物質的微觀結構，當中的科學概念相較於生活中的巨觀現 象，較為抽象不易觀察，學生必須要具備較高階的思考技能才能夠理解 （Hussein & Reid, 2009；Taber, 2002；Zoller, 1990）。學生通常缺乏將大量學習素材進行整合的歸納與分析能 力，因此若沒有好的知識建構工具，來訓練高階的統整能力，將無法有效的將科學概念延 伸至生活經驗之中 （Hwang, Shi, & Chu, 2011；Triantafyllakos, Palaigeorgiou, & Tsoukalas, 2011）。尤其各化學元素之間，有部分相同與部分相異的特徵與性質，舉例來說：碳與硫 都不具有延展性，但碳元素以石墨狀態存在時可以導電，可是硫固體不能導電。因此如要 分辨碳與石墨，無法使用概念圖方法來分辨兩元素。因此本研究選擇加入一種表格型態的 心智工具，為學者 Kelly 於 1955 年所提出的凱利方格，來提升學生在合作遊戲過程中的 學習感受與學習成效。過去的研究發現，這種心智工具可以幫助學生蒐集和統整知識，可 以有效的提升學習成效（Chu, Hwang, & Tsai, 2010；Sung & Hwang, 2013；Sung & Hwang, 2018；Wu, Hwang, Yang, & Chen, 2018）。

同時，教育學者強調，多數的真實問題往往是較為複雜的，並不是學生個人可以獨力 完成的。基於這個原因，很多學者提到在情境學習活動中，培養學生合作及溝通能力的重 要性 （Cortez et al., 2004）。遊戲就是一個很有意義的合作學習環境，可以藉著在遊戲中互 動與溝通的歷程，增進社交技巧 （Triantafyllakos et al., 2011）。經由合作學習的歷程，學生 可以有效處理大量資訊，並促進學生發掘問題，建構新知識，以完成較複雜的學習任務

（J. L. Shih, B. J. Shih, C. C. Shih, Su, & Chuang, 2010）。因此近幾年來，已有學者對合作式 數位遊戲進行研究，發現到數位遊戲配合小組合作，學習動機與成效可大幅增強 （Meluso, Zheng, Spires, & Lester, 2012）。

為了驗證以上所提出的策略，本研究運用一個基於心智工具的合作式數位遊戲，並運 用在國中自然科課程。讓學生透過合作完成方格的過程，我們透過實驗設計來回答以下研 究問題：

1. 基於心智工具的合作式數位遊戲與傳統合作式數位遊戲，學生在自然科的學習成效是否 有顯著差異？

2. 基於心智工具的合作式數位遊戲與傳統合作式數位遊戲，學生的群體自我效能是否有顯 著差異？

3. 基於心智工具的合作式數位遊戲與傳統合作式數位遊戲，學生在自然課的認知負荷是否 有顯著差異？

貳、文獻探討

一、數位教育遊戲

數位教育遊戲是指將教材與遊戲結合，提供一個具有故事脈絡的學習環境，充滿著幽 默和懸疑的氣氛，以及具有挑戰性的任務 （Nelson, Erlandson, & Denham, 2011）。學習者在 一連串的問題解決任務中，依照遊戲規則，逐漸獲得獎勵或提示；相較於傳統教學法，更 能促進學習者主動練習並反思他們的想法，因而激起學習動機 （Li & Tsai, 2013；Prensky, 2001）。Lancy （1987） 統整出三個教育數位遊戲成功的要素：(1) 回饋和滿足感：學習者依 照遊戲提示解決任務而得到立即回饋時，將能獲得滿足感；(2) 好奇心和冒險：學習者從 挑戰失敗的過程中，反思並修正錯誤概念，使遊戲技巧逐漸提升，以應付更高層次的關 卡；(3) 成就感：學生投入在遊戲中，發現自己可以獲得許多新知識，提升自己的學習成 效，因而獲得很大的成就感。Prensky（2001）年指出，電腦遊戲對學習者有很大的吸引力，

是因為具有以下特性：(1) 遊戲設有通關目標、競爭和挑戰，讓學習者產生動機與好奇心；

(2) 遊戲可與操作者進行互動，讓學生可以動手做，以學習者為中心；(3) 遊戲中需要與同 儕溝通互動，這可以促進合作能力；(4) 遊戲可以立刻給予回饋，這是引導出學習歷程的 關鍵。

過去各種不同教育目的的數位遊戲已開始被發展出來，學者針對數位遊戲運用在教學 上已有許多的研究 （Hwang & Wu, 2012；Li & Tsai, 2013；Tobias et al., 2014）。數位遊戲已 被導入至許多科目的教學中，例如數學科 （McLaren, Adams, Mayer, & Forlizzi, 2017；Van Eck & Dempsey, 2002）， 土 木 工 程 科 （Ebner & Holzinger, 2007）， 資 訊 科 （ Connolly, Stansfield, & Hainey, 2007；Papastergiou, 2009；Wang & Chen, 2010），歷史科 （Squire &

Barab, 2004），地理科 （Tüzün, Yılmaz-Soylu, Karakuş, İnal, & Kızılkaya, 2009），語文科

（Hao et al., 2010；Liu & Chu, 2010）。例如 Tüzün et al. （2009）的研究，讓實驗組的大學生 用電腦遊戲學習週期表與元素等化學知識，對照組使用傳統教學，研究結果發現實驗組學 生的學習動機和學習成效都比控制組好。Papastergiou （2009） 使用數位遊戲來讓學生學習 資訊類知識，研究發現兩種性別都能增進學習動機。Sung、Hwang 與 Yen （2015） 讓學生 在學習護理知識的數位遊戲中，藉由問題解決任務來增進學習動機與成效。

除了增進學習動機外，許多研究證實數位遊戲對學習成果有很大的幫助。Anderson 與 Barnett （2013） 針對國小實習老師進行電磁學概念教學，實驗組使用數位遊戲，控制組則 是進行探究課程；其研究結果發現，實驗組在後測的進步程度明顯優於控制組。Watson、

Mong與 Harris （2011） 的研究發現，遊戲式學習可以使教學活動由過去的以教師為中心，

轉變成以學生為主體的知識建構歷程，讓學生更加的主動積極與投入學習活動。Yien、

Hung、Hwang 與 Lin （2011） 針對國小學生健教課的食品營養單元，設計了一個教育電腦 遊戲，研究發現使用遊戲學習的實驗組，相較於傳統教學的控制組，有較佳的學習成果。

Hwang、Chiu 與 Chen （2015） 讓實驗組的小學生在社會科課程裡進行情境式數位遊戲；其 研究結果發現，實驗組在社會科的學習成果，相較於控制組有正面影響。Hwang、Sung、

Hung、Huang 與 Tsai （2012） 的研究，使用遊戲式學習來測試國小學生學習風格對學習成 效的影響，研究結果發現，配合學習風格而設計的遊戲式學習，將能使學習動機與成效增 進的效果更大。

自然科學習任務通常較複雜，若是數位遊戲系統缺乏好的支持，反而會對學習造成負 面影響，因此學者強調數位遊戲系統還要結合有效的學習策略 （Barzilai & Blau, 2014）。

van der Meij、Albers 與 Leemkuil （2011） 也指出，讓實驗組大學生兩兩一組用數位遊戲來 學習，控制組則是單人進行遊戲學習。研究結果發現，在實驗組學生小組討論後測的答案 前，其獨立作答的平均分數與控制組並無顯著差異；但在實驗組學生進行小組討論後，其 後測的小組分數則提升了約 20%，與控制組形成顯著差異。這表示在較複雜的教學單元 中，單獨使用數位遊戲來進行學習，對學習者來說太過困難。在遊戲後進行小組討論，將 會成為建構新知識的重要歷程。

二、合作式數位遊戲

合作式數位遊戲，指的是學生在解決遊戲任務的過程中進行小組討論，不僅可以學習 與同儕相處之道，更能提升學習效果 （Kuo, Hwang, & Lee, 2012；Schellens & Valcke, 2005）。合作學習的優點在學生進行互動的過程中，學生從現有的知識架構出發，經由腦 力激盪接收大量訊息，學習統整資訊後提出自己的看法，並與他人達成共識 （Cortez et al., 2004；Lipponen, 2002）。合作式數位遊戲的概念，源自於 Wilson （1996） 提出的一種建構 主義的學習環境，強調讓學生對自己的學習負責，小組成員具有相同的學習目標，共同運 用工具或資源來解決真實世界的問題。

因此學者提出合作式遊戲學習的設計理念，運用在許多的研究上。Shih 等人 （2010）

的研究中顯示，在遊戲中進行合作學習，將有助於問題解決等較高階的思考能力。Meluso 等人 （2012） 的研究結果發現，在遊戲學習過程中，分組進行溝通互動的實驗組，在自我 效能和學習成效兩方面的進步幅度，都比自己獨自完成任務的控制組還多。Sung 與 Hwang（2018）讓實驗組小學生在數位遊戲中使用合作知識建構策略，研究結果發現相較 於控制組有較好的學習成效。Hummel 等人 （2011） 的研究發現，遊戲式學習的過程中，

小組合作的學習成效較好。Admiraal、Huizenga、Akkerman 與 ten Dam （2011） 年的研究，

讓高中生在數位遊戲中進行合作學習，研究結果發現，學生投入在小組遊戲對抗的程度愈

多，其學習成果的進步程度愈多。

Annetta, Minogue, Holmes, & Cheng （2009） 針對高中基因遺傳學的課程進行研究，研 究者讓一群實驗組高中生兩兩一組，共同在遊戲中模擬犯罪現場辦案過程，運用指紋或血 跡來找出罪犯；控制組則是使用傳統教學法。研究結果發現，實驗組的後測成績與控制組 並無顯著差異。學者推論其可能原因，在於基因遺傳學牽涉概念抽象且複雜。要藉由遊戲 所學知識來解決真實情境的任務，即使已經兩兩一組，對學生來說還是太過於困難。自然 科學習任務經常包含多個科學概念，在複雜的學習情境中，學習者需要統整所學到的概 念。給學生的支持系統除了小組合作，還有使用心智工具，心智工具已經被視為一個學習 者有效統整知識的方法，可以促進批判思考能力 （Hwang et al., 2011）。因此學者建議，在 發展數位教育遊戲時，要考慮結合有效的學習策略，例如心智工具 （Charsky & Ressler, 2011；Chuang & Chen, 2009）。

三、心智工具

心智工具，是一種可提供學習者統整教學概念或學習經驗的電腦輔助系統 （Chu et al., 2010；Jonassen, 2000）。學生在使用心智工具的過程中，蒐集並組織與主題相關的知識，

進行自己的演繹與推理，因此可將認知能力提升至高層次的思考 （Chu et al, 2010；Sung &

Hwang, 2013）。目前已經有幾種心智工具被運用在數位教育遊戲當中，其中一類是表達概 念之間關連性的圖像工具，例如概念圖 （Novak, 1990） 或心智圖 （Charsky & Ressler, 2011）；另一類是將概念相似特性進行統整的表格工具，例如表格式心智工具 （Fransella, Bell, & Bannister, 2004；Kelly, 1955）。過去已經有許多研究指出，表格式心智工具可以有 效地協助學生蒐集與組織資訊，並能相互比較學習概念之間的關聯性 （Barzilai & Blau, 2014；Hwang, Hung, Chen, & Liu, 2014；Wu, Hwang, Tsai, Chen, & Huang, 2011）。

學者 Kelly （1955） 年提出表格式心智工具，此方格可視為一種矩陣，縱向表示要學習 到的目標概念，橫向表示要指認的目標元素特性，以數字 1 至 5 表示。元素特性數字包含 傾向或是反向某性質，5 表示高度傾向某性質，1 則表示反向。例如在 Sung 與 Hwang

（2018）的研究當中，就使用表格式心智工具，讓學生整合植物的各種特徵，如圖 1 所示。

研究發現結合心智工具的數位教育遊戲，有助於學生統整所學的概念，達到較佳的學習成 效。

Trait Leaf shape is ling and thin The leaf has a tapering point Perfectly smooth lef edge

Opposite Golden

Chinese banyan

2

3

1

Variegated- leaf croton

2

1

1

Cuphea 2

1

4

Indian almond

4

4

1

Money tree

2

2

1

Crown of thorns

2

1

5

Pink lxora 2

3

1

Leaf shape is round and flat

The leaf has a hollow point

The leaf edge has deep indents

正向5分的特徵 各種植物名稱 負向1分的特徵

註：引自Sung & Hwang（2018）

圖 1　自然科表格式心智工具的應用

表格式心智工具過去已經被運用在一些自然科的學習，Hwang 等人 （2012） 曾針對國 小生自然課的研究，讓實驗組進行基於表格式心智工具的合作式數位遊戲，對照組進行傳 統科技化教學。研究發現相較於控制組，實驗組在學習成效與對自然科的學習態度都有顯 著的提升。接著 Sung 與 Hwang （2013） 的研究，讓國小學生在使用合作式數位遊戲學習 自然科時，加入表格式心智工具的實驗組相較於傳統合作式數位遊戲，亦有較好的學習動 機與成效。Sung 與 Hwang （2018） 的研究，發現相對於只用線上學習單進行小組討論的控 制組，進行基於表格式心智工具之合作式數位遊戲的實驗組，其學習成效和問題解決能力 有顯著提升。甚至在兩組的行為模式中，實驗組觀察並比較學習目標，以及尋求並閱讀補 充教材的行為頻率都較高。因此學者指出，基於表格式心智工具的合作式數位遊戲，提供 學生明確的討論與學習目標，促 使學生進行搜尋與比對資訊的動作 （Sung & Hwang, 2018）。

參、基於表格式心智工具之合作式數位遊戲

本研究運用基於表格式心智工具的合作式數位遊戲，稱為 REG 模式（Repertory grid- based Educational Game），其研究架構如圖 2 所示。裡面包含上、下兩個子系統，上半部 子系統是運用 RPG maker 製作的合作式數位遊戲；下半部子系統是合作式線上討論平台。

RPG maker是一種角色扮演遊戲製作軟體，由 Enterbrain 公司所開發；合作式線上討論平 台則由 Google 公司提供。上半部系統包含使用者的遊戲介面、教材、遊戲素材和任務腳 本資料庫，以及遊戲編輯器模組。下半部系統包含線上討論介面、學生帳號資料、表格式

心智工具資料和討論歷程資料庫，以及平台編輯模組。學生可以在這個子系統內將所學到 的知識統整成方格，並與其他同儕進行線上討論，以下將針對每個部份做更詳細的介紹。

學生 教師

線上討論介面

線上討論歷程 表格工具資料庫 學生帳號資料庫 任務腳本 遊戲素材 遊戲介面

教材

遊戲線輯器 RPG Maker

線上討論編輯 Google平台

圖 2　基於表格式心智工具之合作式數位遊戲系統架構圖

如圖 2 所示，遊戲介面是接收學生指令的入口端，本研究所開發的遊戲融合國中第四 冊自然科第六章教材 - 生活中的元素，幫助學生在遊戲闖關過程中，吸收課本與課外的知 識。遊戲中所使用的免費素材來自於此遊戲設計軟體 RPG Maker，配合本研究所撰寫的遊 戲任務腳本，可以幫助學生更快融入遊戲的情境之中，就像是生活周遭發生的故事。遊戲 中需要蒐集各關元素的腳本設計，促使學生為了通過考驗，專注於四處蒐集線索以取得關 鍵道具。下半部的線上討論介面是儲存學生學習狀況的入口端，其中包含的學生帳號資料 庫，協助研究者規劃並查詢各組的學生帳號。表格工具資料庫儲存各組學生共同完成的表 格資料，讓研究者能夠檢視學生在表格內所填入的內容。線上討論歷程儲存學生之間討論 的對話，使研究者可藉此分析學生在遊戲進行中的學習狀況與感受。

在本研究的遊戲腳本中，主角的朋友被外星生物綁架，主角必須獨自蒐集地球上重要 的五種寶石，最終目標是交換人質回來。遊戲中世界地圖畫面如圖 3，共有五個學習任務，

主角必須在五大地圖中搜尋線索，找到解開任務的關鍵。已過關的任務，在圖 3 的世界地 圖中，會顯示成紅色打勾狀態，提示學生前往下一個打問號的任務所在處。五個地圖任務 如下所敘述：

1. 火山區 （圖 4）：主角必須穿上熔點最高的金屬靴，才能走上岩漿橋拿到寶石。熔點是本 地圖的目標概念，以紅色字體標示。

2. 教堂地窖 （圖 5）：主角必須選到活性大的元素，才能點燃火把趕走毒老鼠。活性是本地 圖的目標概念，以綠色字體標示。

3. 天上世界 （圖 6）：主角必須選到延展性最大的元素，才能壓成足夠大的魔法飛毯，到達 對面那朵雲，以取得寶石。延展性是本地圖的目標概念，以淺藍色字體標示。

4. 雪國 （圖 7）：主角必須選到導熱性最差的元素披風，才足以抵抗屋外的暴風雪。導熱性 是本地圖的目標概念，以深藍色字體標示。

5. 電吉他電路板 （圖 8）：主角必須選擇適當密度的元素垂掛在吉他弦下方，才能讓音階由 低到高，完成一段旋律。密度是本地圖的目標概念，以黃字體標示。遊戲中會由遊戲角 色與主角進行簡單問答，如圖 9 所示，若學生答錯則必須重新選擇，直至答對為止。

圖 3　五大任務世界地圖

圖 4　火山地圖任務（熔點）

圖 5　地窖地圖任務（活性）

圖 6　天上世界地圖任務（延展性）

圖 7　雪國地圖任務（導熱性）

圖 8　電吉他電路板地圖任務（密度）

圖 9　問答題

研究的表格式心智工具舉例如表 1。其中特性 「密度」 的正向傾向為 「密度大」，數字 為 5；反向傾向為 「密度小」，數字為 1。舉例如表 2 的第一行，此元素若為 5 分，則表示 其密度很大；此元素若為 1 分，則表示其密度很小。

表 1　自然科表格式心智工具的應用—元素章節

1 金 銀 銅 鐵 鋁 鈦 鎢 硫 石墨 鑽石

5

Au Ag Cu Fe Al Ti W S C C

密度小 5 3 3 3 1 1 5 1 1 1 密度大

熔點低 4 4 4 3 1 3 5 1 5 5 熔點高

導電／熱差 5 5 5 4 5 3 4 1 5 1 導電／熱佳

延展性差 5 5 5 5 5 4 4 1 1 1 延展性佳

對氧活性小 1 2 2 4 4 4 2 1 4 4 對氧活性大

肆、研究方法

一、研究對象

本實驗的受試者為臺灣北部某國中八年級學生，兩個班共 55 人參與本研究，一個班 是實驗組，男女共 29 人；一個班是對照組，男女共 26 人。為避免不同教學方法造成實驗 誤差，兩個班在進行元素性質的基本介紹課程時，均由同一位教師授課。過去自然課分組 都以六桌實驗桌作為分組，因此本研究中的兩個班都是 4 或 5 人為一個小組，共同完成各 自組別的學習任務。

實驗組學生在進行角色扮演遊戲的過程中，一邊將所學到的知識，和小組成員討論交 流後，利用 google 平台的即時通訊與協作功能，完成自己組別的方格，畫面如圖 10 所 示。遊戲畫面置於協作文件的左下角，遊戲上方為待完成的方格 （協作文件），右方則是 即時通訊的對話框。對照組學生在角色扮演遊戲的進行過程中，經由小組共同討論後，共 同完成線上學習單的填寫，如圖 11。圖 11 左下角為遊戲畫面，遊戲上方為待完成的學習 單 （協作文件），右方則是即時通訊的對話框。研究進行過程中，學生操作電腦的情形如 圖 12。

表格式心智工具 RPG遊戲視窗 線上討論

圖 10　實驗組方格任務介面

RPG遊戲視窗 線上討論 表格式心智工具

圖 11　對照組學習單介面

圖 12　課程活動照片

二、研究流程

圖 13 為實驗流程圖，課程主題為國中八年級 「常見的元素」 單元，教學目標為認識生 活中的元素及其特性。

實驗前一週，兩組分別進行為期 120 分鐘的元素性質介紹課程。接著在實驗剛開始 前，進行群體自我效能前問卷，以及自然科學成就測驗前測，填答時間為 30 分鐘。實驗 過程中，實驗組學生在遊戲中共同完成方格；對照組學生在遊戲中共同完成線上學習單，

兩組都進行 60 分鐘。實驗結束後，兩組學生分別進行群體自我效能後問卷、認知負荷問 卷以及自然科學成就測驗後測，填答時間 30 分鐘。

第一週 120分鐘

第二週 30分鐘

第二週 60分鐘

第二週 30分鐘 實驗組 (N = 29)

元素性質介紹課程

進行群體自我效能前問卷與自然科學成就測驗前測 對照組 (N = 26)

合作式數位遊戲+表格式心智工具 合作式數位遊戲+線上學習單

進行群體自我效能後問卷、認知負荷問卷與自然科學成就測驗後測 圖 13　實驗流程圖

三、研究工具

（一）自然科學成就測驗

自然科學成就測驗前、後測皆由自然科經驗教師共同設計，前測目的為確認兩組學生 在自然科具有相同的先備知識。題目敘述如：「是否能分辨以下性質為物理或化學性質」，

測驗共有 20 題單一選擇題，滿分 100 分，本試卷題目如附件三。後測目的為確認學生是 否能辨別元素性質的高低，題目敘述舉例如：「活性最小的金屬為何」。測驗共有 20 題單 一選擇題，一題 4 分，以及一題開放性思考題，滿分 100 分。

（二）群體自我效能問卷

群體自我效能問卷修改自 Wang 與 Lin （2007） 的研究，採用李克特五點量表，5 分表 示非常同意，1 分表示非常不同意。題目敘述如：「我相信我們這個小組可以在這份作業 得到優異的成績」，本問卷共 8 題，本研究的群體自我問卷 Cronbach α 值為 0.899。

（三）認知負荷問卷

認知負荷問卷修改自 Hwang、Yang 與 Wang （2013） 的研究，採用七點量表，7 分表 示非常同意，1 分表示非常不同意。題目包含兩個部分，第一部分為心智負荷 （mental load），源自於教材難度或任務的挑戰性，敘述如：「這個活動中的學習內容對我而言是困 難的」。第二個部分為心智努力 （mental efforts），源自於教材呈現的格式及解說方式是否 造成負擔，敘述如：「在這個學習活動中，教學方式或是教材內容的呈現方式對我而言比 較吃力」。本問卷共 8 題，本研究的認知負荷問卷 Cronbach α 值為 0.905。

伍、研究結果

本研究旨在探討基於表格式心智工具之合作式數位遊戲，對學生在群體自我效能、認 知負荷與自然科學習成效的影響，本研究將所得的量化資料以 SPSS 進行統計分析。

一、自然科學習成效

（一）學習成就測驗

本研究欲探討使用表格式心智工具的學生，自然科學習成效是否有顯著差異。因此使

用單因子共變數分析，以 「自然科成就測驗前測結果」 為共變項，「是否使用表格式心智工 具」 為自變項，「自然科成就測驗後測結果」 為依變項。為符合共變數分析的基本假設，首 先進行組間 Levene 變異數同質性檢定，結果顯示不違反同質性假設 （F = 0.08，p = 0.77 >

0.05），表示組內共變量與依變項的線性關係具有一致性。

上述檢定結果符合共變數分析的基本假設，接續進行共變數分析，如表 2 所示，實驗 組調整後平均為 63.19，標準差為 2.78，而控制組調整後平均為 64.14，標準差為 2.93。

由結果可知，兩組學生在後測成績沒有顯著差異 （F = 0.056，p = 0.82 > 0.05），且控制組 調整後平均數較高。因此可推論本研究的表格式心智工具對自然科學習成效未造成顯著影 響。

表 2　兩組自然科學習成效 ANCOVA 檢定結果

組別 人數 平均數 標準偏差 調整平均數 標準錯誤

F

實驗組 29 64.69 22.42 63.19 2.78 0.056

控制組 26 62.46 23.71 64.14 2.93

（二）比較分析題與問答題分數

本研究將後測題目中，挑出測驗 「比較與分析」 能力的題型，題號分別為 1、4、5、8、

9、13、14、15、19，分別計算實驗組與對照組這幾題的答對率，佔分 20 分，與問答題 20分分數相加，視為 「比較分析題與問答題分數」。接著使用單因子共變數分析，以 「自 然科成就測驗前測結果」 為共變項，「是否使用表格式心智工具」為自變項，「比較分析題 與問答題分數」 為依變項。為符合共變數分析的基本假設，首先進行組間 Levene 變異數 同質性檢定，結果顯示不違反同質性假設 （F = 0.119，p = 0.73 > 0.05），表示組內共變量 與依變項的線性關係具有一致性。

上述檢定結果符合共變數分析的基本假設，接續進行共變數分析，如表 3 所示，實驗 組調整後平均為 24.17，標準差為 1.52，而控制組調整後平均為 22.20，標準差為 1.61。由 結果可知，兩組學生在後測成績沒有顯著差異（F = 0.08，p = 0.78 > 0.05），且實驗組調整 後平均數較高。因此可推論本研究的表格式心智工具對比較分析題與問答題分數未造成顯 著影響。

表 3　兩組比較分析題與問答題分數 ANCOVA 檢定結果

組別 人數 平均數 標準偏差 調整平均數 標準錯誤

F

實驗組 29 24.17 10.51 23.54 1.52 0.0.081

控制組 26 22.20 11.46 22.91 1.61

二、群體自我效能

本研究欲探討使用表格式心智工具的學生，群體自我效能是否有顯著差異。因此使用 單因子共變數分析，以 「群體自我效能前問卷結果」 為共變項，「是否使用表格式心智工 具」 為自變項，「群體自我效能後問卷結果」 為依變項。為符合共變數分析的基本假設，首 先進行組間 Levene 變異數同質性檢定，結果顯示不違反變異數同質性假設 （F = 1.31，p = 0.26 > 0.05），表示組內共變量與依變項的線性關係具有一致性。

上述檢定結果符合共變數分析的基本假設，接續進行共變數分析，如表 4 所示，實驗 組調整後平均為 3.68，標準差為 0.09，而控制組調整後平均為 4.10，標準差為 0.10。由結 果可知，兩組學生在群體自我效能後問卷上有顯著差異 （F = 9.97，p = 0.003 < 0.01），且 控制組調整後平均數較高。因此可推論本研究的表格式心智工具使實驗組的群體自我效能 顯著低於控制組。

表 4　兩組群體自我效能 ANCOVA 檢定結果

組別 人數 平均數 標準差 調整平均數 標準誤

F

實驗組 29 3.60 0.69 3.68 0.09 0.9.97**

控制組 26 4.18 0.43 4.10 0.10

**p < 0.01

三、認知負荷

本研究欲探討使用表格式心智工具的學生，認知負荷是否有顯著差異，並分成心智負 荷與心智努力兩部分來探討，因此使用獨立樣本 t 檢定。如表 5 所示，在心智負荷的部分，

實驗組平均數為 4.21，標準差為 1.35，而控制組平均數為 3.06，標準差為 1.18。在心智努

力的部分，實驗組平均數為 4.09，標準差為 1.32，而控制組平均數為 2.96，標準差為 1.21。由結果可知，兩組學生在心智負荷和心智努力皆達顯著差異（p < 0.01），且實驗組 平均數較高。因此可推論本研究的表格式心智工具對實驗組學生造成的認知負荷較大。

表 5　兩組認知負荷獨立樣本 t 檢定結果

項目 組別 人數 平均數 標準差

t

心智負荷 實驗組 29 4.21 1.35

-3.34**

控制組 26 3.06 1.18

心智努力

實驗組 29 4.09 1.32

-3.28**

控制組 26 2.96 1.21

**p < 0.01

四、表格式心智工具成果展現

本研究將各組線上共同完成的表格式心智工具成果匯出到 excel 檔案中，分析每組的 答對率。各組答對率計算方法如下：每一格學生所填數字與本研究表 1 所示教師版本之正 確數字相減，差異最小為 0，則本格可得 5 分；差異最大取絕對值為 4，則本格只得 1 分；

未填數字的空格則為 0 分。最後計算 50 格的得分，除以滿分 250 分為心智工具答對率。

圖 14 為其中一組的表格式心智工具填答狀況，其評分分析結果如表 6，六組學生的心智 工具答對率如表 7。

密度小 熔點低 導電/熱差 延展性差 對氧活性小

密度大 熔點高 導電/熱佳 延展性佳 對氧活性大 金

4 2 5 5 4

銀 3 2 5 5 2

銅 2 2

4 3

鐵 2 3

4 5

鋁 1 1

3 2

鈦 1 4

3 2

鎢 4 5

2 3

硫 1 1 1 1 1

石 5 5 5 1

鑽 5 5

1

圖 14　某組心智工具答題狀況

表 6　某組心智工具答對率分析

金 銀 銅 鐵 鋁 鈦 鎢 硫 石墨 鑽石

4 5 4 4 5 5 4 5 1 1

3 3 3 5 5 4 5 5 5 5

5 5 0 0 0 0 0 5 5 4

5 5 4 4 3 4 3 5 5 5

5 5 4 4 3 3 4 5 0 0

表 7　各組心智工具答對率

第一組 第二組 第三組 第四組 第五組 第六組

答對率 0.392 0.440 0.724 0.268 0.692 0.560

陸、結果討論

本研究結果顯示相較於控制組，實驗組群體自我效能降低，認知負荷較高，且兩組學 習成效無顯著差異，與施測前的預期結果不同，也與過去相關研究結果有很大的差異，以 下本研究試著進行各種原因的探討。

一、從具體轉換到抽象的高階思考需要較多時間

遊戲式學習進行的時間不足，心智工具需要將遊戲情境所學的知識進行重點摘要，並 轉 換 成 數 字 表 徵， 這 樣 從 具 體 到 抽 象 的 歷 程 需 要 高 階 思 考 技 能 （Charsky & Ressler, 2011）。學生必須從學習遊戲中心智工具的操作規則，進階到理解心智工具就是課程知識 的概念化，這個過程需要花較多時間，因此過去研究提及遊戲通常需要幾十個小時才能完 成 （Kolb,2014；Laveault & Corbeil, 1990）。學生只能將有限的時間分配在遊戲的進行，無 法撥時間去整合知識到高階抽象階段以完成表格。過去文獻亦有提到，在學生的筆記中顯 示，沒有足夠的時間讓同學完成心智工具的建構，會使學生產生一定程度的挫敗感，這種 挫敗感會降低學生對自我的自信與動機 （Mccagg & Dansereau, 1991；Schmid & Telaro, 1990）。本研究的學生在小組討論時，提到 「快下課了，你們不填表格喔」、「我忙著破關 啦，表格給你寫」，可以看出學生將大部分的時間分配在遊戲任務的進行，尚未有足夠時 間將知識轉化成抽象的數字表徵，因此造成心智負荷較高，學習成效沒有預期的好。

二、感到很困難的預期心理

學生在看到心智工具時，就預期到接下來的學習活動可能會很困難，否則就不會需要 這麼複雜的工具來引導遊戲的進行 （Charsky & Ressler, 2011）。本研究的學生在討論區問 組員怎麼不填表格，有一組組員回答「表格看起來就很難，不想寫」，另一組同學問組員 表格答案是什麼，組員表示「看不懂啦，我找不到答案」。由這些對話可以得知，表格式 心智工具會在學生進行遊戲式學習的過程中，降低他們對自己或隊員完成任務的自信心，

因而使實驗組群體自我效能較為低落。

三、未將心智工具與遊戲做好整合

本研究的表格式心智工具未與遊戲歷程做較好的整合，例如在遊戲過程中未給學生機 會練習使用表格式心智工具，未確保學生可以將遊戲所得到的課程知識，轉換成數字填入 表格中才能進入下一個關卡。本研究分析學生每次填表格的時間點，計算每組在每個時段 填表格的總次數，繪製成長條圖如圖 15。由此圖我們可以發現，大部分的組別在遊戲進 行的過程中，都很少將線索轉換成數字填入表格。而是在快要結束學習活動之前，才一口 氣將表格完成，這樣沒有循序漸進根據線索完成表格，很容易造成認知負荷過高，因而使 本來心智工具可提升的學習成效降低。過去就有研究指出，學習策略若是超出學生工作記 憶體負荷，會使實驗組學習成效反而低於控制組 （Chu, 2014）。

0 20 40 60 80 100 120

8:11 8:16 8:21 8:26 8:31 8:36 8:41 8:46 8:51 8:56 9:01 9:06 9:11 9:16 G1 G2 G3 G4 G5 G6

圖 15　各組在各時段填入表格心智工具的總次數

圖 15 配合表 7 所分析的各組心智工具答對率，我們可以發現，答對率較低的組別，

例如第四組與第一組，組員填入表格的時間點較集中，沒有在整個遊戲歷程中逐漸將所學 知識整合到表格中。反之，答對率較高的組別，例如第三組與第五組，組員填入表格的時 間點較分散，整個遊戲歷程中都有循序漸進將遊戲中得到的線索轉換成數字填入表格。因 此若是可以將表格式心智工具與遊戲歷程緊密結合，可以提升表格式心智工具答對率。

四、從內在動機轉為外在動機

在教育數位遊戲中放入心智工具，因為提供較多資訊，可能會削減遊戲的挑戰性，使 學生從主動轉為被動學習，降低學習歷程的專注度和動機 （Charsky & Ressler, 2011）。提 供心智工具使遊戲歷程變成一個解讀文字的學習，而不是一種享受。想要完成表格得到回 饋，可能使遊戲轉為促成外在動機，而不是單純完成任務挑戰的內在滿足，這可能也是學 習成效不如預期的其中一個原因。

五、心智工具答對率對後測的影響

本研究分析實驗組各組學生 「心智工具答對率」 與其後測 「比較分析題與問答題分數」

之間的相關性，刪掉一組組員人數較少且出現極端值的組別，發現兩者之間相關係數 0.55，屬於中度相關，如圖 16。由此可見，組員之間如果合作完成心智工具的效率愈高，

20.0 21.0 22.0 23.0 24.0 25.0 26.0 27.0 28.0 29.0 30.0

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 比較分析題與問答題 各組平均分數

心智工具各組答對率 R² = 0.3011

圖 16　各組心智工具答對率與比較分析題和問答題分數的相關性

可能在後測的比較分析題與問答題有較好的表現，表示心智工具對實驗組學生在此章節的 比較分析能力確實有其一定的影響力。

本研究在台灣北部國中進行，數位資源較為充足，學生對電腦遊戲的操作熟悉，可能 無法推論至台灣其他地區的數位教育遊戲學習情況。再來，本研究針對國中生的自然課程 進行數位教育遊戲的設計，可能無法推論至其他學習階段的學習情形。

本研究在群體自我效能、認知負荷與學習成效等方面，都出現與預期成果不同的狀 況。如同過去研究所提到，如果教學設計不良，沒有將心智工具與遊戲式學習做緊密結 合，無法成為遊戲闖關過程中所必備的要素，將會增加認知負荷而降低學習信心與學習成 果 （Charsky & Ressler, 2011；Chu, 2014）。因此本研究建議未來教師在將數位教育遊戲融 入課程的過程中，必須要注意心智工具的使用，是否與遊戲的挑戰歷程密切相扣。建議在 遊戲中必須引導學生去完成心智工具的知識整合，才能得到相關線索以繼續遊戲的進行。

否則這樣失去與遊戲緊密連結的心智工具，不但會打擊學習者的信心，還會讓學習者分 心，增加認知負荷，使得學習效果降低。另一個方法是讓表格式心智工具要填入的數字做 為開啟捷徑的必要條件，學生對於可以減少解題任務的捷徑都有特別高度的興趣，可以促 進學生將知識轉換成表格數字的動機。遊戲最吸引人且最能引起學習動機的原因在於學生 可以自由選擇如何破關，以及靠自己完成任務的高度挑戰，這兩個因素都會因為學生將心 思移到心智工具時而降低。將來設計數位教育遊戲的人員，應該注意在將課程融入遊戲的 過程中，循序漸進並以一個內斂的方式融合 （Charsky & Ressler, 2011），避免因為課程知 識而過度降低了遊戲中的夢幻與挑戰性，學生必須先在遊戲經驗中獲得滿足感，且心智工 具必須扣緊遊戲進行的過程。

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作者簡介

廖畬柔，國立臺灣科技大學數位學習與教育研究所，碩士生

Yu-Jou Liao is a Master Student of Department of Graduate Institute of digital Learning and Education, National Taiwan University of Science and Technology, Taipei, Taiwan.

黃國禎，國立臺灣科技大學數位學習與教育研究所，講座教授

Gwo-Jen Hwang is a Chair Professor of Graduate Institute of digital Learning and Education, National Taiwan University of Science and Technology, Taipei, Taiwan.

賴秋琳，國立臺北教育大學教育學系，助理教授（通訊作者）

Chiu-Lin Lai is an Assistant Professor of Department of Education, National Taipei University of Education, Taipei, Taiwan. (Corresponding Author)

吳書豪，國立臺灣師範大學資訊教育研究所，博士生

Shu-Hao Wu is a Ph.D. Student of Graduate Institute of Information and Computer Education, National Taiwan Normal University, Taipei, Taiwan.

收稿日期：民國108年09月08日 修正日期：民國108年09月24日 接受日期：民國108年09月27日

POTENTIAL NEGATIVE EFFECTS OF INCORPORATING A GRID-BASED MINDTOOL INTO DIGITAL GAME-BASED LEARNING- LESSONS LEARNED FROM AN

APPLICATION IN A CHEMISTRY COURSE

Yu-Jou Liao

Gwo-Jen Hwang

Chiu-Lin Lai

Shu-Hao Wu

1Department of Graduate Institute of digital Learning and Education, National Taiwan University of Science and Technology

2Department of Education, National Taipei University of Education

3Graduate Institute of Information and Computer Education, National Taiwan Normal University

ABSTRACT

Researchers have pointed out the potential of educational computer games in improving students’ learning performances and learning perceptions. For this study, a collaborative game-based learning approach with a grid-based Mindtool was developed. To evaluate the effectiveness of this approach, an experiment has been conducted in a junior high school science course. The participants were from two eighth grade classes. One class with 29 students was assigned to be the experimental group, while the other class with 25 students was the control group. The learning content was “knowing the elements” unit of the natural science course. The experimental results revealed that this approach increased the students’ cognitive load and decreased their group efficacy; moreover, the learning achievements of the two groups were not significantly different. Based on these findings, an in-depth discussion was conducted.

Keywords: game-based learning, collaborative learning, grid-based mindtool, group efficacy, mental load