2-1 實驗教學

第二章 文獻探討

2-1 實驗教學

教育部於92 .01.15公佈的九年一貫課程修訂綱要中明白提出，國中小學生

學習科學，應學會如何去進行探究活動：學會觀察、詢問、規劃、實驗、歸納、

研判，也培養出批判、創造等各種能力。其中特別是應以實驗或實地觀察的方式

去進行學習，讓學生獲得處理實際事務、解決問題的能力。實際探究科學知識，

解決問題的能力，特別應該受到重視，自然科學的學習常分理論與實驗兩個部

分，理論支持實驗，實驗驗證理論，兩者相輔相成，缺一不可。

Tamir（1976）提出四個支持實驗教學的理由 (引自林秀蓁，1995) ：

一、科學包括高度抽象及複雜的主題，未達形式操作的學生，在沒有

操作事物機會時，無法瞭解科學。

二、實驗室的工作可以提供學生鑑賞科學之方法及精神的機會。

三、實際之經驗增進了技能的發展，有廣泛的類化效應。

四、學生一旦喜歡實驗活動，將更有興趣於科學的學習。

2-1-1 實驗教學的重要性及目標

Tamir（1976）指出「實驗活動可幫助學生培養正確的科學態度及科學過程

技能。」。優良的實驗活動可以提供學生進行知識建構的機會（Tobin , 1990）。

自然科教師和科學家也從不間斷的強調實驗在自然科教學和科學研究上的重要

生進行彰顯、演示與驗證他們已知概念與定律的場所，其主要的目標為「從活動

中培養科學過程技能」。探究式的實驗室教學設計，應能提供學生較多的學習機

會，對自己所學的知識，經由實際、直接的方式去體驗，也讓學生有時間思考，

以便真正了解他們自己在學什麼。如此可以培養學生解決問題的能力，學習科學

過程技能（黃湃翔，1995）。而實驗教學的重要性及目標（ 許榮富和趙金祁，

1987；張鳳琴， 1995；Pella， 1961 引自楊文金和許榮富， 1987）主要有下

列特點:

（ 一） 學習科學概念

（ 二） 發展認知能力

（ 三） 學習科學過程技能

（ 四） 理解科學本質

（ 五） 培養正面的科學態度

（ 六） 發展良好社會態度

（ 七） 引起對科學的興趣

（ 八） 學習如何應用科學原理

（ 九） 發展對科學的鑑賞能力

實驗教學可以培養科學過程技能，Tobin 和 Capie(1980)也提倡利用科學

過程技能的培養，來幫助學生在不同的科學領域提升相關解決問題的能力。

2-1-2 實驗教學的模式與層次

實驗教學模式為了要獲取已知或未知的實驗結果，可以根據實驗步驟的給

予與否、活動方式是演繹產生或歸納，以及實驗步驟是老師給予或學生產生而成

為四種教學模式（Domin, 1999），如表 2-1，在講述式及大部分的發現式的活動

中則會將步驟提供給學生，差別的是講述式的學習活動方式是老師運用演繹之方

式來引導學生學習，而發現式的學習型式重點在於學生經過歸納許多的發現後，

再推知一已知的實驗結果。。

表 2-1 實驗教學的四種模式（Domin, 1999）

型式 特色

實驗結果 活動方式 實驗步驟

講述式 已知的 演繹的 老師給予

探究式 未知的 歸納的 學生產生

發現式 已知的 歸納的 老師給予

問題為中心式 已知的 演繹的 學生產生

若依照實驗教學的功能來做區分，不同實驗室教學類型皆有其獨特的方式與

意義，也將能達成不同的教學目的。實際上實施實驗室教學，通常是兼具數種類

型的功能。綜合Simpson 與 Anderson（1981）、洪姮娥（1984）、許榮富與趙

金祁（1988）、張惠博（1993）及Roth（1994）之分類方式，可將實驗室教學類

型分成下列七種（引自林秀蓁，1995）：

1. 驗證式實驗－實驗活動以證明原理原則為目的，使學生獲得實際之體驗，使

課程與實驗進行相配合。

2. 歸納式實驗－學生由實驗觀察及數據綜合歸納自然現象的規律。

3. 演繹式實驗－由已知科學定律引導實驗活動，將一般化的原理原則，應用至

特殊的問題或事件上。

4. 科學過程技能式的實驗－培養學生具備科學家從事科學研究中所需的思考過

程之方法能力。

5. 精熟技術式實驗－幫助學生學習一些儀器之基本技術，而達到精確熟練的程

度。

6. 探究式實驗－要求學生必須經歷發現問題、指出變因、形成假設，並根據控

制變因的原則自行設計實驗、執行實驗，以驗證假設猶如科學家探討過程。

7. 建構式實驗－以小組共同進行實驗，且藉由討論、協商與詮釋而完成實驗。

以上實驗學習方式的主要差別在於過程之不同，Tamir（1989）也強調實驗

課程最主要的功能並不是展示結果，而是以科學學習過程為核心。他將實驗活動

層次分類整理為：零層次的實驗活動，即問題、方法步驟及答案均提供給學生，

學生只要按此步驟去做實驗，驗證已知的結果；第一個實驗活動層次，為問題、

方法及步驟均提供給學生。學生只要按著方法及步驟，即可找到實驗活動的答

案；第二個實驗活動層次，為僅提供實驗的問題，而方法與步驟，以及答案均未

提供；第三個實驗活動層次則為問題、方法步驟及答案均未提供，讓學生自己去

思考設計實驗，去解決自己所面對的現象問題。科學實驗活動層分類表如表

2-2(Tamir，1989)所示。

開放 開放

給 2

開放 開放

開放 3

開放 給

給 1

給 給

給 0

答案 方法步驟

問題 層次水準

表 2-2 科學實驗活動層分類表（Tamir，1989）

若將Tamir 的實驗分層和Domin（1999）的實驗學習模式做比較：第零層次

的實驗活動和Domin所提出的講述式的實驗模式，性質功能均非常相近，而第一

層次的實驗活動則較類似發現式的實驗模式，第二層次的實驗活動則較類似問題

為中心式的實驗模式，第三層次的實驗活動則屬於探究式的實驗模式。而本研究

主要依據第一層和第二層的虛擬實驗學習方式，設計出兩種模擬學習環境。

江蓓蒂（1988）分析我國國中國一、國二自然科學的教科書（生物上、下冊，

理化一、二冊），結果發現教科書中之實驗活動中，生物實驗約一半是層次一，

一半是層次零，沒有層次二和三。理化實驗全是層次零。這是因為絕大多數的理

化實驗，在實驗活動本身的敘述中（如實驗目的、過程或討論）就以暗示了或給

予了答案，或者在緊接著實驗結果的敘述中，就將實驗的標準答案詳加闡明之。

2-1-3 實驗教學困難的原因

造成教師帶學生進實驗室的意願低落或是使得實驗教學效果不彰的原因大

概有下列幾項(黃寶鈿和劉靄雯， 1993； 許榮富和趙金祁， 1987)：

（ 一） 教師本身對教材或器材不熟悉

（ 二） 設備不足

（ 三） 時間不足:一堂課 45 分鐘太短或是趕課

（ 四） 人數太多，不易掌控

（ 五） 學生配合度差，實驗室秩序難掌控

（ 六） 硬體設備不足，專人管理支援不夠

（ 七） 教材實驗設計不良

（ 八） 教師本身對實驗教學的意願不高

此外，實驗室教學的困難，除了如食譜般的實驗步驟需按順序操作，使得

學生興趣缺缺，另外實驗所得到的數據，除了認知之記憶式知識外，常需要學生

對於圖形動作加以了解，Clement（1985）就提出有些學生對物理現象的圖形解

釋有著困難，實驗可使人產生新的想法，而且在具體運思期思考力承受物理操弄

所影響，必須由經驗資料推論而產生解釋（吳幸宜，1994）。郭重吉和江武雄從

1987 年開始測試台灣國中學生科學過程技能的學習成就，結果發現：學生所學

過的科學概念在資料處理與解釋和形成假設的能力很差。數理成績很高的學生，

科學概念的試題通過率很高，但在資料處理中：（1）自行設計表格將實驗數據展

現出來（2）自行設計繪製自變數和應變數的關係圖（3）解釋實驗的結果（4）

形成假設等能力很差。換句話說：學生只記憶科學概念，但不了解科學概念的意

義，很難應用所學的概念去解決需要推論和統整的問題（郭重吉和江武雄，1995）

江武雄（ 1997）對北部七縣市 874 位教師所做的問卷調查，認為造成實驗

教學困難的最重要因素是學生沒有預習準備，其次是學生的學習動機低落。

2-1-4 改良實驗教學的方法

本研究意在將資訊科技融入自然學科中的實驗教學，嘗試用模擬方式的虛擬

實驗來提升學生的興趣、增進學生的智能以及強化學習經驗，作為學前預習或課

後複習的工具。教學前使學生先操弄模擬，作為教學前預習準備，若將模擬的操

弄，則有複習課程的作用。

設計更有趣或生活化的實驗來引起學生的興趣(范麗玉，1998；陳素真，

1994；White， 引自陳義勳譯，1993； 祁明輝， 1998) 或是提供教學策略(林

秀蓁， 1994； 蔡珮穎和張文華， 1998；林陳涌， 1995) ，主要作法如下：

一、依照不同實驗、能力、設備去安排不同實驗的課程

二、發問式教學策略

三、講解步驟或示範實驗

四、以強調危險性的高權威及高關懷領導方式， 使學生在安全及信任的條件下

進行活動

五、合作競爭

六、言行一致， 提高師生之間的信任度

七、鼓勵學生表達

八、提供鷹架引導新概念

九、進行小組討論

十、顧及學生現有的概念

本研究採用上述一、二、三項的改良實驗學習之方法，設計不同模擬學習

環境之虛擬實驗室，第一種為給予實驗步驟的學習環境，即符合第三項講解步驟

的要求，第二種為自行設計實驗步驟的學習環境，需要現對實驗問題作深入瞭

解，而研究中引入學習型態的目的，即在探討不同環境對不同學習型態的學生的

適用性。

Linn(1995)在評論有關實驗室對科學學習的角色定位時，指出：學生依照

食譜式的實驗過程，因而無法獲得像科學家創造科學知識之樂趣。電腦化實驗室

可以提供更多主動、獨立，以及令人興奮的科學探索機會。

近年來國內也有模擬學習方面的相關研究，顯示模擬在提升學習動機及學習

成效上的效果頗為顯著（粘武清，2002；孫光天、林勇成，2003；黃竹坤，2001；

黃志清，2001；吳盟仁，2000；黃瑞龍，2002；范光仁，2002）。若能再融入上

方所述的教學策略，應可進一步提升模擬在輔助教學方面的成效。

2-2 學習型態

傳統的教育較為重視教師如何教學的部分，近年來由於建構主義的興起，

愈來愈重視學生如何學習的部份。教學成效是否顯著，關鍵在於教師的教學型態

（Teaching styles）與學生的學習型態(Learning styles)是否能夠相互配合。

2-2-1 學習型態的定義

學習型態是指學習者和其學習的環境互相影響之後，學習者所出現一種的穩

定的狀態，而其中又內含著一種學習習慣的意義。國內研究常使用Kolb的學習型

態理論，乃由Kolb於1984年所提出之「經驗學習」理論(experiential learning)而來。

理論中論及對學習的分類，也提到許多學習與個別發展的問題，此一理論認為在

不同的學習階段與環境交互作用的方式不相同，因而所需的學習能力也各有不

同。

國內外學者認為學習型態有許多不同模式和定義方法（黃玉枝，1991），因

各心理學學者的著眼點不同，有些強調學生學習的個人變因；有些強調學習過程

和策略；有些強調認知、情意和生理上的變因；也有強調學習環境的變因，但簡

單而言，學習型態可以視為「個人在學習過程的偏好」，即個人自認為可以達成

自身有效學習的習慣性心理反應模式。

2-2-2 學生的實驗學習型態

學生進入實驗室學習的目的，主要均在對老師所提供之實驗教學計畫做出要

求結果 (郭文禎，1999)。這跟Rath 與 Brown (1996)提出學生投入實驗的程序

方式很像，都是按照已知的實驗步驟操作，並且意圖做出一個想要的結果。但是

單就實驗步驟的依循與否，或多或少會影響學生進行實驗學習的學習效果。學生

在使用謝祥宏和耿正屏（1996）設計的軟體，學習細胞生理概念時的學習過程分

析顯示，所採用的學習型式(learning patterns)有L 型(linear type)、V型

(victorious type)、倒V 型(up side down victorious type)、W 型(wave type)

和超W 型(Super Wave type)等五種。而根據Dori and Yohim(1990)的研究發現

成就高的學生以採用循序漸進方式(L 型)最多，而學習成就較低者以採跳躍方式

(超W)最多。顯示學生的學習成就高低，會影響學生在學習教材的學習型態。

2-2-3 Felder學習型態理論

Felder（1988）認為老師的教學型態和學生的學習型態若不能配合，則學生

會對上課的內容感到無聊和不專心，考試成績不佳，對課程、教材，甚至自身感

到氣餒，出現逃避學校課業的行為；而老師一樣會出現負面之行為，如老師面對

著學生低落的成績，沒有反應、甚至出現敵意的上課班級，沒有參與、放棄的現

象。教師本身定會發現教學過程中某些地方出了問題，若過度批判學生或將責任

大多歸因於學生，對教學者和學習者雙方不但沒有幫助，可能還會把情形弄得更

糟。

學生有各式各樣的學習類型，大部分的型態可以從五個問題的答案中加以定

義出來，如下：

1. 學習者對獲取哪方面的資訊有所偏好：外在的感官（sensory）－如視覺、

聲音或生理上的感覺，或內在的抽象思考（intuitive）－如可能性、瞭解

或預感？

2. 經由哪種感官上的通道而有效率的獲取資訊：視覺上的（visual）－如照片、

表格、圖片和親自示範，或聽覺上的（auditory）－文字和聲音？

3. 怎樣的資訊組織方式為學生感覺舒適的：歸納的（inductive）－經由事實

或觀察的給予而推論出一些定律，或演繹的（deductive）－經由定律的給

予而演繹出結果和應用？

4. 學生偏好如何存取資訊：主動的（active）－透過實體的參與活動或討論，

或內省的（reflective）－透過檢核自我本身內心的思考或感覺？

5. 學生對於理解過程如何產生進步：循序的（sequential）－以連續的步驟，

或全盤的（global）－以大幅度的跳躍性思考？

而教師的教學方式也可以源自於對下列五個問題的答案所定義出來：

1. 教學者強調哪一種資訊：具體的（concrete）－事實，或抽象的（abstract）

－概念或理論？

2. 強調怎樣的呈現方式：視覺的（visual）－照片、圖表、影片及親自示範，

或口語的（verbal）－演講，閱讀和討論？

3. 如何組織教學的呈現：歸納的（inductively）－由現象推導出定律，或推

理的（deductively）－由定律推導出現象？

4. 怎樣的模式是學生對教學呈現所較易於接受的：主動的（active）－學生說、

移動及內省，或被動的（passive）－學生看和聽？

5. 提供怎樣的資訊呈現之正確方式：循序的（sequential）－一步一步的進步，

或全盤的（global）－前後文、和背景相關的？

原本Felder提出五種學習型態分類為：

1. 感官型或抽象型（sensing/intuition）

2. 視覺型或聽覺型（visual/ auditory）

3. 歸納型或推理型（inductive/ deductive）

4. 主動型或思考型（active/reflective）

5. 循序型與全盤型（sequential/global）

修改後的Felder學習型態主要有四種分類，簡要介紹如下：

1. 主動型和內省型（Active and Reflective）：主動型的學生從主動的處理

某些事務後，才可以瞭解得較好；而內省型的學習者，總是抱持先想在好後再做

的想法，主動型的學生比內省型的學生喜愛分組合作工作，內省型的學生較偏好

單獨進行學習。

2. 感官型和抽象型（Sensing and Intuitive）：感官型的學生偏好學習事實；

抽象型的學生較喜歡發現可行性和關係。感官型的學生喜歡用固定的方式解決問

題而不喜歡複雜和驚訝；抽象型的學生喜歡創新而不喜歡重複。感官型的學生偏

好動手做（如做實驗），對處理工作的細節有耐心；抽象型的學生對於抽象事物

和數學的公式較易掌握而學習得較佳。

3. 視覺型和口語型（Visual and Verbal）：視覺型的學生對於所看見的照片、

圖表、流程圖、影片或親自示範，較為記憶深刻；口語型的學生對於書寫的或講

出來的語言文字，理解程度叫視覺型的同學深。

4. 循序型和全盤行（Sequential and Global）：循序型的同學按照邏輯性、

一步一步有次序的步驟來學習，全盤型的同學則以跳躍式的方式在學習，可能可

以以很快的方式解決複雜的問題，但卻難以解釋其如何做出來的。

Felder學習型態量表在1991提出，組成共有四十四題單選題（附錄C），每

題需從答案a或b二者選一個適合自己的選項填入答案紙

，

題，一個分類記錄一個分數，舉例來說，若在感官型抽象型分類中若得到四個 a

和七個 b ，即感官型的次數有四次，抽象型的次數有七次，則此分類的總分則

記做 （ 7 – 4 ）b ＝ 3 b，即學習類型偏向抽象型，次數多三次。

Zywno（2003）特別對此一量表的信度效度加以考驗，包括重測信度、因素

結構、內部信度、全部項目相關性及內部量尺相關性。而其中也論及量表的效度，

研究的結論支持此一量表為測量工程學系學生學習型態的一份良好的心理測驗

工具。

2-3 模擬學習

2-3-1 模擬學習的意義與重要性

電腦模擬是一程式，而此程式內含著一種系統（自然、人工的器材或設備）

的型式或過程的型式（de Jong, & van Joolingen, 1998），針對真實或想像世

界中，用程式來模仿動態環境或物件系統（Akpan & Andre, 2000），而美國國家

科學教育標準（NSES）中提及使用模擬的原因，提到模擬應選取適當的科學內容，

設計適用的教材，以便在教學中能提升學生的興趣、增進理解以及強化學習經

驗，並透過資訊科技來達到學生的學習需求。

電腦化模擬教學的基礎，奠基於深切了解學生如何成功的學習知識的學習歷

程（R. N. steinberg，2000）。模擬使得探索不可能的情境變為可能，但其影響

學習之最重要因素卻在於程式的細節和模擬之方法，學生的確應該認識及使用模

擬來探索新知、作出預測、設計實驗以及解釋結果。但不幸的是許多模擬僅用於

物理教學的展示，導致在學習科學的歷程中，學生少有機會將模擬用成學習之工

具。

2-3-2 模擬學習的內容及優點

Brown(1989)經由電腦的模擬情境設計，可將欲表達的教學目標，以生動活

潑的方式呈現及透過學習者的主動操弄、隨情境變換而建構自己的知識，達到學

習的目標及養成解決問題的能力，而且學習應融入在情境中，才能真正獲得與應

用知識(楊家興, 1995)。

運用模擬概念所製成的電腦動畫輔助教學可提高學習理化的興趣，並且可輔

助講解式教學以及輔助實驗教學。其特點如下：

一、將重點集中於學習者內心思考歷程之改變

二、將所要學習之現象以視聽覺呈現

三、可用於測試學習成果

四、隨時調整重要之參數

五、捨棄單純語意會話之教學過程

六、介面相當容易使用

美國國家科學教育標準（NSES）認為使用模擬來輔助學習者學習科學的原因

在於適當的選擇科學內容、調整並設計教材來符合學生的學習需求，如興趣、知

識、理解、能力和經驗。Stephen 和 Stanley(2000)認為模擬本身有著經濟、安

全、節省時間空間，以及可隨意重複操弄時間的特性。故常將複雜的操作機制設

計成單純的模式，透過對學習時間與空間的可重複操弄之特性，以專家預先設計

過的正確觀念之模組，來達成較有效率的學習效果。相較於其他媒體工具，模擬

具有下列優點：

一、增加學習者的學習動機，如富有挑戰性、迷人又似真的學習情境。

二、因其經過專家較完善之教學設計，而促成學生產生較佳的學習遷移。

三、學習知識、技巧和資訊方面較有效率。

四、可以彈性地引導學習者學習的起點，如方便複習舊有課程，以及練習之機會。

模擬因具備了操弄時間軸的變通性，且簡化了實際生活中的複雜情境，使得

學習者更有機會認清抽象現象，進而調整個別的認知概念（de Jone and Njoo

1992），所以虛擬實驗室的模擬使得學生更容易地經由操弄模擬實驗而獲得更深

一層的了解。

2-3-3 模擬學習的困難與改良方法

然而並非所有的文獻均認為模擬具有正向的學習效果，模擬融入互動教室和

單純使用傳統紙筆互動的學習方式作比較，學習成效並沒有明顯差異（Carlson

and Andre ,1992；de Jone et al. ,1992 ；Rivers and Vockell 1987）。其主

要原因乃在於不當的教學支援、缺乏充足的模擬設計以及不適合的學習技巧。

De Jong 和 van Joolingen（1998）將學習者在使用模擬支援科學性的發

現式學習時，遭遇學習困難之原因區分為四點：

（1） 產生和調整假設之困難，

（2） 缺乏妥善設計的實驗，

（3） 對解釋資料產生困難，

（4） 相對於發現式學習規則出現了問題。

既然模擬學習有上述四種困難，解決困難的方法則可於模擬學習過程中使用

歸納式的教學方式，如科學上探究式學習、發現式學習及問題導向學習等，可將

歸納式教學引導方式融入於模擬學習之中，協助學生在科學實驗探究的過程中，

一併培養科學過程技能能力。本研究之給予實驗步驟學習環境，即利用發現式學

習的特性，另一個自行設計實驗步驟的學習環境，則以問題導向學習為設計原則。

2-4 電腦化虛擬實驗室

就科技的輔助而言，目前具有強大優勢的虛擬實境(virtual reality; VR)﹐

在 一 些 研 究 中 被 證 實 其 「 沈 浸 的 」 (immersion) 特 質 、「 多 重 感 官 線 索 」

(multisensory cues)以及「多重參照架構」(frames of reference; FORs)的特

性，有助於輔助複雜且抽象概念的學習(Bricken & Byrne, 1992; Byrne, 1996;

Salzman, Dede, Loftin, & Chen, in press; Winn, 1993)，特別是涉及空間關

係的概念，所以我們在找尋虛擬實驗的單元時，盡量偏向二度空間、實驗內容較

為抽象之單元。

在物理學中存有許多抽象概念，學生極容易產生相當數量的迷思概念，導致

正確的實驗物理概念不易建立。而虛擬實驗室即使用模擬將實驗情境虛擬化，使

學生能主動學習，增加對於抽象的自然觀念之瞭解。張秀澂 (2002) 也建議教師

在引導學生學習時，必須慎重選擇適當的教學資源與教學方法，盡量讓學生親自

動手做，以提高學習動機和興趣，但遇到抽象觀念，或需要電腦模擬實驗時，可

以融入合適的電腦教學媒體，達到「高品質教學教學過程」，使科學教育走向優

質教育的新境界。

2-4-1 模擬在實驗教學中的用途

Hartley（2000）認為為了要克服傳統黑板教學的某些困難，可以透過視覺

及聽覺上的模擬，來使學生更加了解其真正的學習內涵，如波動學中兩波動（如

聲波、水波及光波）如何合成等。而 Linn(1995)也提出了電腦化模擬可以解決

在實驗室中關於發現式學習及建構論觀點兩道難題的一種新的機會，使得實驗室

學習的更為便利，學習者審慎的使用模擬之後，將可以提升在科學方法學習上的

進展。實驗室電腦輔助軟體應該力求與實驗室情境作最深切的連結，Mokros 和

Tinker（1987）就認為電腦化實驗室軟體應可以整合多重模式強化作用、即時連

結具體與抽象、意義化的情境脈落和降低乏味的工作，發揮學習的功效，學生在

自我設計的學習經驗下，能對經驗立即回饋，並且節省完成圖表的時間及精力，

而處在一個了解圖表意義的理想學習情境當中。

科學探究過程中的資料蒐集、分析和解釋，是科學實驗室工作的重要成分，

課程規劃若不夠完善或缺乏彼此間的關聯，將使得許多學生認為實驗室極為繁

瑣、甚至無意義的學習活動。而將資料及數據轉換成有意義之形式，學生較易建

構出對於自然界中正確的概念及知識，這正是電腦化模擬實驗室的特長，並且配

合了短期記憶之本質。

模擬在複雜的理論教學中的學習效果和重要性已被國內外學者所認同，一般

用於較高層次的抽象概念學習，如物理中電子電路、電磁學、動力學、波動學、

光學及近代物理及化學中電化學或危險實驗如高腐蝕性實驗（強酸極強鹼）、高

熱、高毒性及高污染等相關實驗生物－動物解剖、異地觀察、生態變化及生化反

應（如植物從泥土中吸收養分）以及地球科學中天文、海洋、地質及氣象等需要

巨大空間及漫長時間才可觀察及紀錄到的實驗現象等，因這些科目在教學上無法

在視覺中產生立即學習效果，即使學生親自動手操過後仍不容易得到正確的觀

念，於是透過模擬的操作，透過預先設計觀念正確和步驟精準的模擬教學軟體，

使得學生在學習上更有效率，本研究即針對於國中物理學中之光學及動力學兩部

分加以設計。

Hargrave 和 Kenton(2000)提到通常科學教育上採用模擬的原因如下，因其

符合了三原則﹔

1. 個別化學習－適應個別差異及精熟學習.

2. 主動學習－符合建構教學的理論基礎, 從做中學.

3. 適時回饋－在學生發生錯誤時,給予回饋及校正,以修正學生的學習.

2-4-2 虛擬實驗室於實驗教學歷程中的使用時機

在教室中模擬確可將學習內容傳遞給學生，且模擬教學在適當的安排於學

習歷程中，所造成學生的學習成效亦優於一般性的教學改變，此外模擬在教學時

間表的適當安排後，在學習歷程的差異下，也會影響學生科學觀念的形成和理解

（Hargrave and Kenton, 2000）。

使用虛擬實驗室於實驗教學歷程中之適當時機，Hopper 和 Thomas（1988）

認為模擬依照置放於教學歷程中的時機，可分為教學後模擬和教學前模擬兩種類

型，其特性茲說明於下：

（1） 教學後模擬：通常用來測驗學生所學到的知識內容。對於學生先前主動

及內化所學習到的知識，扮演特定複習性的角色，且和Bloom（1956）所提到的

教育目標的知識回想和了解之層次，其目的相當有一致性。

（2） 教學前模擬：Hargrave and Kenton(2000)認為教學前模擬設定了形式

教學之內容，闡述了科學現象的動態本質，並且提供了學生發展新概念的機會。

如學生可以透過教學前模擬主動測試學生早已存在之想法，進而促成進階之學

習。教學前模擬有下列特色：

1. 適合作為探索的學習環境。

2. 包含學生可以操弄的變數。

3. 允許學生大量完成任務的企圖心。

4. 提供模擬真實現象所應出現之回饋。

Hargrave 和 Kenton (2000) 建議使用教學前模擬來使得模擬學習更有效率，而

講述式教學配合使用模擬，亦可以增加學生之學習成效。

2-4-3 虛擬實驗室的教材選擇與設計

兒童科學教育尤其要重視觀察和實驗(White，1993)，因此網路虛擬實驗室教

材的選擇與設計主要包含下列幾項：

一、抽象難以具體描述的概念或單元。

二、日常生活情境中接觸不多、學生較難理解或學生較沒興趣的單元或概念。

三、具危險性或不易取得，不適合讓學生親自操作演練的概念或單元。

四、容易發揮網路多媒體電腦特性的概念或單元。

2-5 國內外虛擬實驗室實例

本節針對國中自然科課程單元與「凸透鏡成像」、「單擺週期的測量」及「光

的三原色」三個國中物理單元有關之部分，挑選幾個國內外學者或研究單位所設

計之相關虛擬實驗室單元加以說明及分析。

2-5-1 國內實例

國內近來有虛擬實驗室相關的研究，如自然科物理、化學或地球科學模擬

使用在國民中小學科學教育上之研究，發現在學習動機及學習成效的提升上效果

頗為顯著（粘武清，2002；孫光天、林勇成，2003；黃竹坤，2001；黃志清，2001；

吳盟仁，2000；黃瑞龍，2002；范光仁，2002）。主因在於學生使用模擬軟體後，

影響其科學認知觀察，多媒體視覺回饋和不斷重複可供學生操弄的特性，學生主

動學習的結果，使得抽象的現象變得較為真實，有助於學生正確科學概念的建立。

2-5-1-1 凸透鏡單元國內實例：光學實驗單元

黃福坤教授在台灣師範大學物理系物理教學示範實驗室網頁

（http://www.phy.ntnu.edu.tw/demolab/index.htm）中有一個薄透鏡/凹凸面

鏡的成像單元（圖 2-1）。

圖2-1 師範大學物理系物理教學示範實驗室之薄透鏡/凹凸面鏡成像單元

（http://www.phy.ntnu.edu.tw/demolab/index.htm）

而物理教學示範實驗室網頁中有另一個Physlets動畫的光學實驗單元（圖2-2），

亦可以進行一些光學實驗活動。

圖 2-2 師範大學物理系物理教學示範實驗室之Physlets動畫:光學實驗單元

（http://www.phy.ntnu.edu.tw/demolab/index.htm）

2-5-1-2 單擺實驗單元國內實例

木柵高工物理科網頁中有物理科專任老師李綺華（2000）做製作的虛擬物理

分，內容已談及重力加速度之部分，該部分並不屬於國中物理課程之範圍。

圖 2-3 木柵高工物理科網頁中之虛擬物理實驗室-單擺實驗

（http://cra-server.mcvs.tp.edu.tw/lee/phy/simppend.htm）

茲將其所設計的單擺實驗內容，可操控之部分為選擇擺錘之材質為較重的鋼球或

較輕的塑膠球、可調整長度之單擺擺長和設定擺角的初始角位移，及原始擺動開

始的角度，自行決定擺動之次數，繳交作業時會檢核實驗結果之正確與否並出現

提醒訊息，且出現請與助教聯絡的訊息。此時可透過討論中心與助教作線上即時

討論並做反思及修正。除了重力加速度的部分國中課程未提及外，基本上尚符合

國中單擺教學來使用，但需將未提及的部分視實際需要做一些修正。

2-5-1-3 國內實例光的三原色單元

黃福坤教授在台灣師範大學物理系物理教學示範實驗室網頁

（http://www.phy.ntnu.edu.tw/demolab/index.htm）中利用 JAVA 所寫出的色

光三原色色彩的疊加，以及顏料三原色塗料顏色的混合所設計的單元，基本上國

中自然課可使用，但顏料三原色的部分國中課程未提及，是否可以加入課程中則

尚待探討。

圖 2-4 師範大學物理系物理教學示範實驗室之光的 JAVA 三原色單元

2-5-2 國外實例

國外研究模擬已有相當長的一段歷史，實際運用在教學上也相當普遍，如

Explorelearning.com網站中，針對數學、生物、地球科學等主題設計了相當多

可供學生親自操弄或老師用單槍投影機教學之高互動學習單元，其中有相當多的

範例，並命名為Gizmos，經過Cholmsky(2003)的研究也顯示經由這些單元的四種

學習技巧後，使用Gizmos的實驗組學生的成就測驗分數比傳統教學的控制組高出

34%，而其所使用的教學技巧為

一、 將新知識以圖形化/非語言的方式呈現（Representing new knowledge in

graphic/nonlinguistic formats），

二、 藉由操弄來探索新知識或練習（Using manipulatives to explore new

knowledge and practice applying it），

三、 對於新知識的假設之產生與測試（Generating and testing hypotheses

about new knowledge），

四、 直接呈現並馬上應用（Direct presentation, followed by application），

上述四項結果乃奠基於Marzano (1998)的研究，發現學生經過如此四種方式的學

習後，能獲致相當高的學習成效。我們針對其中一個範例（圖2-5）來說明，主

要目的在使學生藉由操弄Macromedia 公司的Director所製作之自由落體運動動

畫模擬過程中，經由描述性的觀察，與針對圖表的解釋說明，獲得較高的學習成

效。

圖2-5 Explorelearning.com網站中的自由落體（Free Fall）模擬單元

（http://www.explorelearning.com）

2-5-2-1 凸透鏡單元國外實例

美國西北大學物理及太空科學系的虛擬實驗室中，亦有凸透鏡成像一單元

（http://www.physics.nwu.edu/ugrad/vpl/optics/lenses.html），先選擇凸透鏡或是凹

透鏡，可以選擇三條光線，分別為通過鏡心的光線一條及過左右側的光線兩條，

合計三條，和國內實際透鏡成像教學中的作圖法的原理完全相同，詳見圖 2-6 。

圖 2-6 美國西北大學物理系的虛擬實驗室透鏡單元

（http://www.physics.nwu.edu/ugrad/vpl/optics/lenses.html）

2-5-2-2 單擺實驗單元國外實例

加拿大 LICEF 研究中心乃一致力於認知資訊學及訓練環境的實驗室，網頁

（http://www.licef.teluq.uquebec.ca/gmec/vplab/lvp.htm）中有一虛擬實驗

室的環境，學生可以建構和真實實驗極為相關的虛擬實驗室，下載後安裝的系統

畫面如圖 2-7，其設計的功能分為模擬的操弄與分析兩個部分，及實驗文件的呈

現、解釋及理論與應用三個主要部分。

圖 2-7 加拿大 LICEF 研究中心的虛擬實驗室系統畫面

我們針對其中「單擺週期」一實驗（圖 2-8）來加以說明，其操弄與分析的

單元獨立存在，並將實驗中會使用到的儀器置於其中，如可調整長度之單擺、量

角器、計算機、碼表、單擺穩定器、角度及時間的數據顯示儀等，另外為了分析

實驗過程，特地準備了一部虛擬的攝影機，可以針對實驗的過程攝影記錄之並留

到事後作分析。

圖 2-8 加拿大 LICEF 研究中心的虛擬實驗室之單擺實驗單元