應用擴增實境於自然科教學對學生學習 成效及學習動機之影響—以國中電磁學
為例
林志隆 林芳如
國立屏東大學資訊科學系
摘 要
隨著行動裝置與網際網路普及，以及行動通訊技術與圖像分析技術不斷 提升，近年來擴增實境技術蓬勃發展，也逐漸應用在許多領域。本研究以擴 增實境應用程式作為新型態的多媒體教學工具，並將其應用於國中自然科教 學中，研究目的為探討應用擴增實境於自然科教學對學生學習成效和學習動 機之影響，採準實驗研究法，研究對象為 49 位國中學生，在實驗前後以 「國 中電磁學學習成效測驗」 和 「ARCS 動機量表」 作為評量工具，結果顯示應用 擴增實境於教學相較於傳統教學能夠幫助學生提升學習動機的注意面向，但 在學習成效方面沒有提升的效果。
關鍵字：電磁學、學習成效、學習動機、擴增實境
壹、緒 論
2014 年臺灣教育由九年一貫課程改革與施行為 「十二年國民基本教育實施計畫」 （以 下簡稱十二年國教），如今 2019 年開始導入十二年國教課綱。臺灣的教育制度由於受到升 學主義影響而產生考試領導教學的問題，而在自然科學概念的學習上大多以背誦的方式，
導致學生並未完全了解內容，以至於對自然科學的學習興趣不高，甚至在抽象概念的學習 上有學習困難的情形發生 （呂惠紅，2010）。傳統的自然科教學方式常使用情境式影片或 操作模型作為課程解說的方式，學生在學習上也受到限制 （米芳純，2011）。在如今教育 環境，教師教學方式不能只使用傳統的教學方式，必須讓學生有興趣並主動參與學習，才
能提升學生之學習成效，趣味科學融入教學可以提升學生的學習意願和興趣，並產生良好 的師生互動 （楊明獻，2013），然而，目前許多教師的教學方式仍採用傳統講述法，因為 學校的教學時間有限以及有進度壓力，導致較費時的觀察和實驗只能捨去，再者自然科的 實物教材製作難度和成本較高，並非每位教師能夠投入教材製作，因此常見做法為教師整 理製作一套紙本講義以供學生學習 （張簡涵依，2016） 另外，資訊科技發展使得教與學的 方式改變，出現電腦輔助教學及簡報教學 （林勝賢，2009），透過電腦多媒體輔助教學能 夠更容易引起學生的學習動機，搭配圖像和互動功能則可以引導學生的概念學習，此教學 方式之成效優於紙筆空談 （米芳純，2011）。教師的教學和學生的學習成效都和動機有十 分緊密的關係，教師在進行教學活動時，最重要的第一步驟為引發學生的學習動機，並保 持或激發更強烈的學生的學習動機 （林寶山，1990），而學習科學的方法應該先激發學生 對科學的好奇心，使學生能主動學習為出發點，並引導學生從固有的經驗為基礎進行主動 探索、實驗操作以及多元學習 （十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中 等學校 - 自然科學領域教育部，2018），然而從近年的國際評測 「國際數學與科學研究」
（TIMSS） 的報告中發現我國國中學生有學習動機不高的情況。
在自然科領域中，許多學生遇到的學習困難為抽象的概念不易理解，甚至造成認知理 解錯誤，而擴增實境可以讓學生實際操作，並幫助學生在學習時降低認知負荷並建立概 念。擴增實境技術早在 1968 年被創建，經過 21 世紀科技迅速發展，電腦與手機不斷革 新，網際網路技術也不斷提升，如今行動裝置及無線通訊已相當普及，現代學生為數位原 生世代。近年來擴增實境技術的興起，社交應用軟體 Snapchat 應用擴增實境濾鏡廣受歡 迎，在 2016 年一款手機遊戲 「精靈寶可夢」（Pokémon GO） 的推出造成全球一股熱潮，引 發許多廠商投入擴增實境技術的開發與應用。擴增實境為一種即時互動性技術，可以將虛 擬物件與現實生活之場景結合，其包含創意與多媒體三維空間立體影像之技術 （樂嘉文，
2015）。目前擴增實境已被廣泛應用在諸多領域，包含遊戲娛樂、軍事訓練、醫療手術、
廣告行銷、教育…等。有學者以擴增實境作為教材進行研究，蕭顯勝、陳俊臣、李鴻毅
（2013）利用擴增實境導覽系統製作 3D 虛擬展物，研究結果發現有顯著較優的學習成效 和同儕互動，而其中主要遇到的問題為導覽系統不穩定，攝像機對準標籤後呈現的影像不 流暢，樂嘉文 （2015） 以擴增實境結合立體拼圖對國小地球科學學習進行研究，發現可以 幫助提升學習 ARCS 學習動機中 A 引起注意和 C 建立信心面向，可以幫助學生提高注意 力和保持興趣，但平板使用以小組為單位造成學生有爭先恐後的情況。現在行動通訊技術 正邁向 5G，圖像顯示技術從硬體及軟體升級可以讓影像畫質更為精緻和系統更為順暢，
影像辨識技術、定位技術提升也讓系統的方向判定和定位更加精準，許多公司也開發擴增 實境平台提供資源讓大眾使用，因此應用擴增實境技術的門檻降低、更容易使用，也增加 創新的可能，有機會成為新興和創新的教學輔助工具。本研究利用 HP 惠普公司提供的擴
增實境平台，系統操作簡單且穩定，並將概念內容一個一個逐步拆解呈現，而學生每人可 分別使用一台平板電腦可以自行操作和學習。
現今資訊科技應用於教育為全球教學趨勢，資訊融入教學能夠將科技整合各項教學資 源，可以促進教師教學，也可以引起學生的學習動機並增進學生的學習能力 （許一珍，
2018），研究者以擴增實境作為新型態的多媒體教學工具，藉由擴增實境技術將傳統平面 教材變換為三維立體互動型式，研究目的為應用擴增實境應用程式結合自然科教學，讓學 生透過擴增實境進行學習，探討對於學生學習成效與學習動機之影響。
貳、文獻回顧
一、國中自然科教學之現況
人觀察和研究自然的現象並探索其變化的原理而產生科學，進一步將其運用以適應環 境和改善生活而產生技術 （國民中小學九年一貫課程綱要 - 自然與生活科技學習領域，
2008）。十二年國民基本教育課程綱要總綱及教學理念強調素養導向 （2014），目的不是只 是為了讓學生 「知道」或 「理解」所吸收的資訊，而是為了 「解決問題」（黃茂在、吳敏而，
2016）。十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校 - 自然科學領域 之課程綱要提到 （2018）：
科學學習的方法，應當從激發學生對科學的好奇心與主動學習的意願為起始點，
引導學生從既有經驗出發，進行主動探索、實驗操作與多元學習，使學生能具備 科學核心知識、探究實作與科學論證溝通能力。各學習階段應重視並貫徹 「探究 與實作」 的精神與方法，提供學生統整的學習經驗，並強調跨領域／科目間的整 合，以綜合理解運用自然科學領域七項跨科概念 ...
由上述發現在十二年國教之自然科特別強調探究與實作，但臺灣長期以來強調升學主 義，成績以教學成效與學生學習成效為主要評斷依據，不看重學生的情意和技能上的學習 成就，因而大多數教師採用傳統的講述教學，使得學生在單向接收知識傳輸的情況下，低 學習成就的學生不了解教師的教學內容，而中、高學習成就的學生則對科學的興趣不高，
因此也難以培養學生的科學態度和探究能力 （蕭聖彥，2012）。
長期以來，學習成效為衡量學生在經過教育或學習活動後的學習成果的主要評估依 據，從 2014 年臺灣開始實施十二年國教，國中教育會考取代舊有的基本學力測驗，各科 測驗的能力等級分為 「精熟」、「基礎」、「待加強」 等三個水準。從 2014 到 2018 年每年在
自然科能力等級達 「精熟」 程度的人數皆落後其他考科 （國立臺灣師範大學心理與教育測 驗研究發展中心，2014，2015，2016，2017，2018），顯示學生在自然科表現仍有許多進 步空間。
在國際上有一些組織對於學生自然科的相關研究調查，其中具指標性的研究有經濟合 作暨發展組織 （OECD） 所主辦的 「國際學生能力評估計劃」（Programme for International Student Assessment，簡稱 PISA），臺灣在 2015 年科學項目的評測中總平均成績為國際排 名第四名，而細項的評測表現結果顯示，在學科方面，「理化」 排名第六，「地球科學」 排 名第五，「生命科學」 排名第三；在能力表現方面，「解釋科學現象」 排名第三，「評量及設 計科學探究」 排名第七，「解讀科學數據及舉證科學證據」 排名第四 （科技部，2016；國家 研究院，2016；賓靜蓀，2012；臺灣 PISA 國家研究中心，2010）。另外，還有由國際教育 成 就 評 價 協 會 （IEA） 主 辦 的 「 國 際 數 學 與 科 學 教 育 成 就 趨 勢 研 究 調 查 」（Trends in International Mathematics and Science Study，簡稱 TIMSS），在 2015 年的評測結果顯示，
臺灣學生在第八年級科學項目中的國際排名為第三名，然而在學習興趣的態度表現與自信 的態度表現上，臺灣學生相較於其他國家的態度表現低落許多，甚至排名倒數，顯示臺灣 在國際上的自然科表現呈現高成就卻低興趣與低自信的狀況 （王韻齡，2016；詹秀雯、張 芳全，2014；Martin, Mullis, Foy, & Hooper, 2016）。
《親子天下》 雜誌對於國中學生進行學習力大調查，調查結果顯示學生的學習力衰弱 中，有一半以上的學生認為自己的學習動機不強烈，年級越高則比例越多，有約六成的學 生在放學後不想主動學習新知，低於三成的學生在沒有考試的情況下會主動學習課程相關 的內容，而有八成的教師認為學生的學習動機不足，顯示大多數的學生的學習為被動，僅 能由考試驅動 （何琦瑜、賓靜蓀與張 文，2012）。當學生對自然課程的學習意願低落時會 造成學習的參與度降低，進而影響學習成效 （謝慶華、段曉林、靳知勤與陳淑貞，2016）。
有教育現場任教背景的研究者依據自身經驗或與自然科教師討論發現，許多學生在理 解抽象概念上有困難，可能原因為學生受限於本身的認知與理解能力不足，因此變更教學 方法進行研究。米芳純 （2011） 研究顯示發現擴增實境教材輔助自然科教學，學生接受度 高，並轉為主動的學習態度，可以增進學生的學習動機。蕭聖彥 （2012） 研究發現資訊融 入合作學習教學對學生學習電磁學課程之學習成就有正向顯著的影響。張簡涵依 （2016）
研究發現大部分學生認為多媒體融入自然科教學相較於傳統講述法較為有趣，以影音呈現 看似困難的原理可以幫助學生更容易理解。陳姿諭 （2017） 研究發現教學者運用動畫輔助 教學能夠提高學生在電流磁效應單元之學習成就。
綜上所述，臺灣學生有學習動機低落的情形，而藉由 ARCS 動機模式可以作為檢視和 發展出符合學生學習動機需求之教學設計之教材與策略，以促進學生的學習意願和學習表 現。
二、ARCS 動機模式
學習動機為引起學生產生學習活動，並維持該學習活動，同時使學生趨向達到教學者 所設定目標之內在心理歷程 （張春興，2007）。學習動機為影響學生學習的重要因素之一，
教學者可以適時利用動機策略引發學生的建立良好的學習行為，對於教和學皆有幫助 （林 含諭，2017）。
學者 Keller 提出 ARCS 動機模式，目的是用來提升教學活動、教材、課程設計方式之 動機吸引力 （Keller, 1983），以激發學生學習動機之策略模式。ARCS 動機模式分為注意
（Attention）、相關 （Relevance）、信心 （Confidence）、滿足 （Satisfaction） 等四個組成要 素，若要引起學生的動機須搭配運用此四個要素才能達到激勵學生的效用 （王珩，2005；
林邵珍，2003；林怡資，2014；張靜儀、劉蕙鈺，2003）。以下分別說明此四個要素之意 涵以及教學策略：
（一） 注意 （Attention）
集中注意力為學生學習的基礎，如何讓學生保持注意力集中一直以來是教學領域探討 的問題，教學策略須以學生的角度為主要取向，才可有效地達到學習目標 （王珩，2005）。
引起學生學習動機的第一步為讓學生對學習的內容有一定的注意力 （張靜儀、劉蕙鈺，
2003），教學者可以運用感官刺激、問題探究、教學方法和教學活動變換等策略，以吸引 學生產生興趣和激發好奇心 （林怡資，2014）。
（二） 相關 （Relevance）
教學者在教學中若能增加學生興趣相關或學習目標相關的事物作為輔助教學，必定可 以引起學生的學習動機 （張靜儀、劉蕙鈺，2003）。教學者須設法讓學生認為所學習的事 物是值得的並對其生活和未來有密切關係 （王珩，2005），教學者可以運用目標導向、符 合學生之需求、學生之熟悉事物或相關經驗之連結等策略，讓學生產生切身相關之體認，
以增進學生的學習動機 （林怡資，2014）。
（三） 信心 （Confidence）
Keller （1987） 指出教學者讓學生產生或維持動機所要面臨的挑戰是促進學生的信心發 展。信心影響學生的努力情況以及表現，其和學生預期成功或失敗有關，當學生對於學習 的科目感到畏怯或認為學習內容太過困難，或是覺得太簡單容易，都會扼制學生學習動機 的維持，進而影響教學及學習的成效 （林邵珍，2003）。教學者可以讓學生了解學習所需 具備的條件，也可以設計出具有適度挑戰性的教材給予學生獲取成功機會，並讓學生有自
我掌控的機會和認為成功來自於自身的努力、操之在己，以建立學生之信心 （林怡資，
2014）。
（四） 滿足 （Satisfaction）
滿足感對於學生而言是對於學習的結果所反應出的一種評價，自身的滿足能夠讓學習 動機持續下去的重要因素 （林邵珍，2003）。教學者可以讓學生有自我表現的機會，以所 學習的新知識和新技能應用於環境和生活中 （張靜儀、劉蕙鈺，2003），讓學生產生學以 致用的滿足感，也可以在學生的學習過程中給予正向的內在及外在的鼓勵和回饋，使學生 有正向感受，此外，教學者須維持學習評量標準與獎勵的一致性和公平性，才能讓學生有 可能獲得成就感與滿足感 （林怡資，2014）。
有研究者黃健泉 （2012） 運用 ARCS 動機模式及資訊科技融入教學，研究發現可以提 升學生自然科之學習成就與學習動機。陳光晋 （2017） 研究發現擴增實境融入有機化學教 具後，學生在 ARCS 動機模式之 A 引起注意、R 切身相關、C 建立信心和 S 獲得滿足各 向度皆有顯著提升的效果。賴志忠 （2018） 研究發現 ARCS 動機模式融入探究教學相較於 講述式教學，學生學習動機的提升效果較佳，並有助於學生科學探究能力提升。
ARCS 動機模式為激發學生學習動機和提升學習表現的教學設計模式，本研究以此 ARCS 動機模式作為探討學習動機的理論基礎，而擴增實境技術因為具有增強感知、即時 互動、具體化顯現等特性，可能可以提高學生在 ARCS 等面向之學習動機。
三、擴增實境之定義及應用
擴增實境技術在 1968 年早已開始被運用，科學家 Ivan Sutherland 和其學生創建出第 一套光學透視頭戴式顯示裝置，後來波音公司科學家開發出實驗性的擴增實境裝配管線設 備系統，並創造出專有名詞 「擴增實境」（吳鴻譯，2002）。
擴增實境 （Augmented Reality） 可視為一種介於真實環境 （Real Environment） 與虛擬環 境 （Virtual Environment） 之間的概念環境，Milgram, Takemura, Utsumi, and Kishino （1995）
提出 RV 連續體 （Reality-Virtuality continuum） 的概念，將真實環境和虛擬環境視為一個連 續體的兩端，而擴增實境在其之間並較接近真實環境，其主要的感知來自於真實環境，同 時具有數位資訊的增強感知 （Yuen, Yaoyuneyong, & Johnson, 2011）。另外，有研究者 Azuma （1997） 提出擴增實境為補充現實，也就是在現實環境中合成或疊加虛擬物件，讓 使用者可以同時看到真實物件及虛擬物件在同一個空間中，在其研究中，他定義擴增實境 為一個系統並具有結合真實與虛擬、即時互動性以及在三維 （3D） 空間中等三個特性。
擴增實境為一種利用虛擬技術輔助觀察真實世界的方式，可以提供現實環境無法顯現
的資訊，讓我們眼中所看到的世界增加多樣性和豐富性 （謝旻儕、黃凱揚，2016），也可 以讓使用者增強對於真實環境的感知、增加和現實環境的互動 （Azuma, 1997），讓使用者 以更具體的方式探索多方面的世界 （Yoon & Wang, 2014）。
由於擴增實境具有即時互動性、立即反饋性，以及能夠將抽象概念以具體化方式呈現 等特性，因此可以幫助理解力較差學生作為另一種的學習管道，若將擴增資訊融入到真實 環境中，可以讓學生在自然情境中進行學習，加上經由感官知覺接受訊息的方式也能讓學 習效果顯著提升 （米芳純，2011）。有許多教師運用遊戲教學幫助學生更容易學習課程概 念，而擴增實境可以提供教師作為一個新的呈現方式，幫助強化關係或連結的作用 （Yuen et al., 2011），還能夠協助學生執行現實世界的任務，因為虛擬物件可以顯現出學生在現實 環境中無法由自身感測到的資訊 （Mekni & Lemieux, 2014）。擴增實境可以幫助學生在認 知、情意及實作等面向提升，在認知方面，擴增實境技術具有連結時間與空間的特性可以 幫助學生理解，而以三維空間的方式呈現知識還能夠延伸學生學習的深度和廣度，也就是 讓知識可以即時在三維空間中具體化顯現，例如古蹟建築應用擴增實境導覽，將電腦動畫 疊加顯示在鏡頭中的真實物件上，可以讓學生進一步延伸學習；在情義方面，經由同學之 間的共同學習、溝通以及合作，可以提高學習興趣；在實作方面，擴增實境提供學生實際 操作的機會，經由實體操作可以協助讓學生了解課本上的知識 （鍾廣翰，2018）。此外，
擴 增 學 習 也 可 以 提 供 給 個 別 化 的 教 學， 讓 學 生 在 課 堂 外 進 行 學 習 （Estapa; Nadolny, 2015）。擴增實境技術有很大的潛力，擴增實境書籍可以吸引數位原生學生，未來有機會 成為數位與現實世界之間的關鍵管道，可以提供學生 3D 演示和互動體驗 （Yuen et al.）。
綜合以上，擴增實境可視為良好的學習輔助應用工具。
參、系統設計
一、設計理念
電磁學單元對學生而言較抽象難懂而不易學習，對教師而言也不容易教授，其內容包 含電和磁兩種概念，並須運用上下、左右以及前後等空間概念 （張晉嘉，2011），研究者 陳姿諭 （2017） 發現國中學生對於電流、磁場、磁力之概念以及其在三維空間的方向有分 辨困難，而黑板或螢幕的呈現方式和學生的桌面方向相差 90 度，容易造成認知理解錯 誤。因此，倘若教師僅以平面黑板或螢幕作為教學解說的方式，不足以讓學生準確地建立 正確概念，容易造成方向轉換的認知負荷，甚至誤解。擴增實境能夠結合真實環境與虛擬 資訊，並可以整合圖片、動畫、影片，以多樣化的呈現方式顯示在三維空間中，此外，其
具有即時互動性，可隨真實環境變化，讓學習者化被動為主動。本研究之擴增實境教材應 用擴增實境技術之特性，以圖片學習單作為真實環境中的觸發物件，學生使用平板並點擊 指定圖示後會產生擴增實境動畫，動畫以動態圖片疊加顯示在鏡頭螢幕中的學習單上，其 中動畫之動態圖片以一步一步的方式呈現，拆解電流、磁場、磁力之位置與概念，讓學生 了解個別及互相關係，同時，學生藉由平版的螢幕畫面可以學習和觀測到電磁學在真實環 境中無法被直接觀測到的物件，也就是透過擴增實境模擬出電磁學中肉眼難以觀察到的物 理現象，並即時顯現在三維立體空間中。
二、操作畫面
本研究運用 HP Reveal 擴增實境平台作為本研究之擴增實境之系統環境，每位學生分 配一台平板電腦，學生透過平板電腦之 HP Reveal 行動應用程式開始進行擴增實境活動。
本研究擴增實境教材主要由觸發圖片及擴增圖層組成，觸發圖片為圖片學習單，擴增圖層 為研究者利用 HP Reveal 擴增實境平台所製作之擴增實境動畫，如圖 1 所示。
圖 1 擴增實境設計
學生使用平板下載並開啟 HP Reveal 擴增實境應用程式，如圖 2 所示，並登入研究者 帳號後即可開始進行擴增實境活動。以下以安培右手定則之擴增實境教材為例，說明學生 操作方式及擴增實境畫面。如圖 3 所示，學生進入應用程式後，點選搜尋圖示，畫面會自 動切換開啟攝像鏡頭並搜尋真實環境中之觸發圖片。當系統偵測到指定的觸發圖片後，如 圖 4 所示，研究者預先設計的擴增實圖層開始出現，此教材首先出現 「I」 及點擊提示，當 學生點擊畫面中的 「I」 後會顯示出電流方向字卡及浮現電流方向箭頭於學習單上相應的長
圖 2 HP Reveal 擴增實境應用程式
圖 3 擴增實境活動畫面
圖 4 擴增實境活動畫面
直導線上。如圖 5 所示，接著顯現出右手大拇指方向，也就是說明安培右手定則概念中右 手大拇指方向代表電流方向，畫面接著出現 「磁場方向」字卡及點擊提示，當學生點擊畫 面中的 「磁場方向」字卡後，如圖 6 所示，畫面會顯現出長直導線周圍之磁場及磁場方向，
並呈現右手四隻彎曲方向為磁場方向。如圖 7 所示，為安培右手定則之相關補充說明，以 便讓學生能更清楚了解長直導線之電流方向、磁場方向、右手手指方向之關係。圖 8 為擴 增實境活動之活動歷程。
圖 5 擴增實境活動畫面
圖 6 擴增實境活動畫面
圖 7 擴增實境活動畫面
圖 8 擴增實境活動歷程
自變項 依變項
實驗處理
控制變項 授課時間 授課教師 授課單元 教學法：
實驗組：應用擴增 實境於教學
1. 學習成效 2. 學習動機
圖 9 研究架構圖
肆、研究方法
一、研究架構
本研究採準實驗研究法，研究架構圖如圖 9 所示，自變項為兩種教學方法，實驗組學 生採應用擴增實境於教學，對照組學生接受傳統教學，依變項為學習成效和學習動機，控 制變項為授課時間、授課教師、授課單元。本研究於 2019 年 3 月至 4 月進行實驗研究，
針對兩組學生在實驗前先施行學習成效測驗前測及學習動機量表前測，以了解兩組學生分 別的起始水準與行為，再實施實驗處理，而後再施行學習成效測驗後測及學習動機量表後 測，探討兩組學生經由不同教學方法後之學習成效與學習動機之差異情況。
二、研究對象
本研究對象為高雄市某國中之兩個班級的三年級學生，分為實驗組與對照組，實驗組 為常態編班之普通班學生 26 人，排除疑似學障生 3 人，保留 23 人，對照組為術科測驗入 學之舞蹈班學生 29 人，總研究樣本數為 52 人。
三、研究限制
本實驗研究由於實施教學之專任自然科教師在學校教授的班級為一班普通班和一班舞 蹈班，因此研究對象僅能以原有兩班之學生進行研究，本研究研究結果之統計方式採共變 數分析，以排除兩個班級之前測分數對後測分數之影響。
四、研究工具
本研究以 「國中電磁學學習成效測驗」 作為評量學生學習成效之工具，題目改編自歷 屆考古題、坊間學習評量講義或是自行編製發展，經由三位具有豐富實務教學經驗之自然 科教師作為專家審核評閱後，研究者再依專家建議修改而成，以建立內容效度，測驗題目 為 20 題單選題，每題答對得 5 分，答錯得 0 分，最後加總為學習成效測驗之，滿分為 100 分，分數越高代表學生對國中三年級電磁學之認知程度越精熟，分數越低則代表越生 疏。
本研究另一項工具為 「ARCS 動機量表」，作為評量學生學習動機之工具，題目改編自 邱惠芬 （2003）、黃健泉 （2012）、樂嘉文 （2015） 的學習動機量表，其中邱惠芬及樂嘉文改 編自 Keller 的教材動機量表，題目依據 ARCS 動機模式之四個要素分為引起注意、切身相 關、建立信心、感到滿足等四個面向，每個面向各 6 題，共 24 題單選題，初稿先委請 三位專家 （同國中電磁學學習成效測驗） 審查，研究者再依審核意見修改題目，以建立內 容效度，量表每題有 「非常同意」、「同意」、「普通」、「不同意」、「非常不同意」 等五個選 項，包含正向計分題 18 題和反向計分題 6 題，計分方式採用李克特式五點量表 （5 point Likert Scale），正向計分題依序給 5、4、3、2、1 分，反向計分題則依序給 1、2、3、4、5 分，量表得分越高代表學生學習動機越高，分數越低代表學生學習動機越低落。研究者回 收前測量表並以 SPSS 23 版電腦套裝統計軟體進行 Cronbach Į 信度係數考驗，整體量表之 Cronbach Į 係數為 0.96，各分量表之 Cronbach Į 係數為 0.85、0.87、0.85、0.91，因此本 研究之 ARCS 動機量表之信度良好。
五、實驗設計
本研究針對實驗組及對照組學生每週實施四堂實驗教學課程，每堂四十五分鐘，為期 三週，共十二堂自然科課程。實驗單元選定為國中三年級電磁學，採用翰林版一零七學年 九下自然與生活科技第六冊之第二章 「電與磁」，小節內容包含 2-1 磁鐵、磁力線與磁場、
2-2 電流的磁效應、2-3 電流與磁場的交互作用、2-4 電磁感應。
本研究擴增實境系統主要應用 HP REVEAL 擴增實境平台進行擴增實境教材設計以及 實驗教學實施。擴增實境教材的成品主要由兩個部分組成，一個是觸發圖片 （Trigger image），本研究將其設計為學習單，另一個是擴增圖層 （Overlay），本研究將其設計為電 磁學概念說明動畫。研究者在實驗教學前先將教材設計完成，然後學生在實驗教學課程中 使用網路、平板進行擴增實境活動，學生運用平板的攝影鏡頭及 HP REVEAL 應用程式捕 捉在真實環境中的觸發圖片學習單，平板的螢幕則會即時顯示出虛擬的電磁學動畫擴增圖 層，如圖 10 所示。
圖 10 擴增實境示意圖
本研究實驗組學生接受應用擴增實境於教學，讓每位學生先各自使用平板進行擴增實 境活動，再由教師以投影片方式進行講解說明，對照組學生則施以傳統教學，教師使用投 影片以傳統講述教學為主，輔以教科書出版商提供之圖片、影片、動畫等。
六、資料分析
本研究蒐集實驗組學生和對照組學生之前、後測之 「國中電磁學學習成效測驗」 及
「ARCS 動機量表」 後，運用 SPSS Windows 23 版電腦套裝統計軟體，以敘述統計和共變數 分析 （ANCOVA） 進行資料分析，探討兩組學生之學習成效與學習動機分別在實驗前與實 驗後之差異情形。
本實驗研究兩組學生經過實驗處理後，研究者統整前、後測測驗卷與量表，剔除實驗 組無效樣本 2 人及對照組無效樣本 1 人，實驗組有效樣本 21 人及對照組有效樣本 28 人，
本研究總計有效樣本數為 49 人。
伍、研究結果
一、兩組學生學習成效之分析
表 1 為實驗組與對照組學生在學習成效測驗前、後測之敘述統計結果，兩組學生分別 之後測平均分數 （M = 62.86、73.39） 皆高於前測平均分數 （M = 29.52、45.36），也就是兩 組學生經過實驗處理後，平均成績皆有進步，而對照組平均分數之進步分數 （33.34） 大於 對照組進步分數 （28.03）。
表 1 兩組學生之前、後測學習成效測驗敘述統計
組別 人數 前測 後測
平均數 標準差 平均數 標準差
實驗組 21 29.52 13.59 62.86 23.43
對照組 28 45.36 19.72 73.39 18.46
研究者將資料進一步進行共變數分析 （ANCOVA），先以組內迴歸係數同質性考驗，
結果顯示未達顯著差異水準 （F = 0.80、p = .38 > .05），表示兩組符合共變數組內迴歸係數 同質性的基本假定，實驗組與對照組學生之前測分數 （共變項） 與後測分數 （依變項） 之間 的關係不會因為教學方法 （自變項） 的不同而有明顯差異，因此接續以共變數分析，排除 前測分數 （共變項） 對後測分數 （依變項） 之影響後，結果如表 2 顯示教學方法 （自變項）
對兩組學生的效果沒有達顯著差異 （F = 0.87，p = .36 > .05），而調整後的平均成績如表 3 所示，實驗組學生之平均數 （M = 65.44） 低於對照組學生之平均數 （M = 71.46），說明實 驗組學生接受應用擴增實境於教學後，其學習成效沒有明顯差異，也沒有提升學習成效的 效果。
表 2 兩組學生學習成效之共變數分析
變異來源 自由度 MS F 顯著性
組別 1 359.20 0.87 .36
誤差 46 413.66
表 3 兩組學生學習成效之調整後平均數
組別 平均數 標準誤差
實驗組 65.44 4.70
對照組 71.46 4.01
二、兩組學生學習動機之分析
實驗組與對照組學生在學習動機整體量表及四個向度分量表之前、後測敘述統計結 果， 實 驗 組 學 生 在 整 體 及 各 項 度 分 量 表 之 後 測 平 均 分 數 （M = 89.76、24.24、22.24、
21.00、22.29） 皆高於前測平均分數 （M = 79.95、20.33、20.71、18.76、20.14），而對照組 學生在整體學習動機、信心向度、滿足向度之後測平均分數 （M = 85.43、20.07、21.21）
有些微高於前測平均分數 （M = 84.89、19.96、20.18），但在注意向度、相關向度之後測平 均分數 （M = 22.39、21.75） 略低於前測平均分數 （M = 22.71、22.04），也就是實驗組學生 經過實驗處理後平均學習動機皆有進步，而對照組學生整體及部分向度學習動機有稍微進 步，但有部分向度學習動機稍微退步。
為了瞭解兩組學生接受不同教學方法對學生動機影響之差異情形，將進一步以共變數 分析，先進行組內迴歸係數同質性考驗，整體 ARCS 動機 （F = 1.90、p = .18 > .05） 及各向 度動機皆未達顯著差異水準 （F = 0.99、p = .33 > .05；F = 0.41、p = .52 > .05；F = 3.35、
p = .07 > .05；F = 1.01、p = .32 > .05），表示兩組學生符合共變數組內迴歸係數同質性的基 本假定，實驗組與對照組學生之前測分數 （共變項） 與後測分數 （依變項） 之間的關係和教 學方法 （自變項） 的交互作用不顯著，因此可以繼續進行共變數分析，排除前測分數 （共 變項） 對後測分數 （依變項） 之影響，結果顯示教學方法 （自變項） 對兩組學生在整體 ARCS 學習動機的效果沒有達到顯著差異水準 （F = 2.81，p = .10 > .05），而在注意向度動 機達到顯著差異 （F = 6.55，p = .014 < .05），但在其他向度未達顯著差異水準 （F = 0.56，
p = .46 > .05；F = 1.79、p = .19 > .05；F = 1.08、p = .31 > .05），調整後平均數，實驗組學 生在整體 ARCS 學習動機及四個向度動機之平均數 （M = 90.75、24.64、22.39、21.23、
22.29） 皆優於對照組學生在整體 ARCS 學習動機及四個向度動機之平均數 （M = 84.69、
22.09、21.64、19.90、21.21），說明實驗組學生接受應用擴增實境於教學後，可以幫助提 升注意向度之學習動機，達顯著正向差異，而在相關向度、信心向度、滿足向度之學習動 機則未達顯著差異，如表 4 所示。
表 4 兩組學生之前、後測學習動機量表敘述統計 組別 ARCS
動機項目 人數 前測 後測 調整後
平均數 標準差 平均數 標準差 平均數 標準差 F 值
實驗組
整體 21 79.95 12.40 89.76 13.00 90.75 2.75 2.81 注意向度 21 20.33 3.06 24.24 3.43 24.64 0.74 6.55*
相關向度 21 20.71 3.55 22.24 3.13 22.39 0.76 0.56 信心向度 21 18.76 3.52 21.00 3.82 21.23 0.75 1.79 滿足向度 21 20.14 3.81 22.29 4.01 22.29 0.79 1.08 對照組 整體 21 84.89 17.30 85.43 13.68 84.69 23.35 2.81 注意向度 21 22.71 4.33 22.39 3.46 22.09 0.64 6.55*
相關向度 21 22.04 4.32 21.75 3.74 21.64 0.65 0.56 信心向度 21 19.96 4.70 20.07 3.55 19.90 0.65 1.79
三、討論
本研究分析結果顯示兩組學生在注意向度學習動機達到顯著正向差異，本研究擴增實 境教材可以讓自然科電磁學抽象的物理現象以三維空間方式顯現，加上動畫大多以一步一 步的動態圖片方式呈現，研究者推測此方式可以幫助學生學習更為簡單易懂，並可以吸引 學生注意，然而，在整體學習成效上沒有顯著差異，推測原因為本研究對象非完全屬於同 質性可能有所影響，對照組的舞蹈班學生在實驗前後之平均學習成效成績優於普通班的實 驗組學生，故推測有可能舞蹈班學生的學習能力優於普通班學生，或是存在其他某種變數 之差異。共變數分析為一種利用統計控制的方法以減少偏差，然而無法全然消除偏差
（Stevens, 1990），因此，研究對象可能為本實驗之不足之處，也許修正改進後可以讓學習 成效之表現有顯著差異。
依據相關文獻探討，林勝賢 （2009） 研究發現國小自然與生活科技運用擴增實境融入 行動學習相較於戶外解說學習，在學生學習成效上有顯著差異，與本研究結果不同，而在 學習動機沒有顯著差異，並表示雖然在學習動機量表的表現上沒有達到顯著差異水準，但
並非代表沒有引起學生的學習動機，有部分能力水準學生接受擴增實境融入行動學習後的 學習動機平均數及學習法估計邊際平均數優於接受戶外解說學習的學生，表示擴增實境融 入行動學習對學生學習動機是有正向的幫助，與本研究結果相似；林禹璁 （2013） 研究顯 示運用擴增實境於天文學習相較於傳統學習方式，有較高的提升學生學習成效效果，與本 研究結果不同，推測原因為樣本分組方式不同，其研究為國中一年級學生 31 人以前測成 績排序後再交叉分組，而在學生學習動機方面則沒有顯著差異，與本研究結果相同；樂嘉 文 （2015） 研究顯示運用擴增實境結合立體拼圖之教具相較於運用傳統簡報之教學方式，
提升學生學習成效平均數之效果較佳，並推論教師以新型態教具輔助教學有較佳的效益，
與本研究結果相似，而注意向度和信心向度學習動機有顯著正向差異，與本研究結果相 像，但本研究僅在注意向度學習動機達到顯著差異水準。
陸、結論與建議
本研究應用擴增實境於自然科教學進行實驗研究，探討應用擴增實境於自然科教學與 傳統教學對學生之學習成效和學習動機之差異情況，依據實驗研究結果，研究者歸納結論 並提出建議如下，以供教育工作者和未來研究作為參考。
一、結論
（一）建議應用擴增實境於教學對國中自然科學習成效影響
從實驗前後之平均成績發現，接受應用擴增實境於教學之學生與接受傳統教學之學生 經過實驗處理之後皆可以提升平均分數，而依據研究分析結果發現接受應用擴增實境於教 學之學生相較於接受傳統教學之學生，其學習成效卻沒有較優的表現，因此，應用擴增實 境於國中自然科教學相較於傳統教學，未能有效促進學生學習成效。
（二）應用擴增實境於教學對國中自然科學習動機影響
從實驗前後之平均成績發現，接受應用擴增實境於教學之學生經過實驗處理之後在整 體 ARCS 動機及各向度動機之平均分數皆有提升，而接受傳統教學之學生只有部分向度之 平均分數有提升，再依據研究分析結果發現，應用擴增實境於教學之學生相較於接受傳統 教學之學生，在整體 ARCS 動機及各向度動機皆有較優的效果，特別在注意向度動機有達 到顯著正向差異水準，因此，應用擴增實境於國中自然科教學相較於傳統教學，可以增進
學生學習動機之注意面向。
二、建議
（一）擴增實境融入教學之應用
依據上述本研究結論，應用擴增實境於國中自然科教學可以提升注意向度學習動機，
如今網路與行動載具普及，擴增實境技術不斷發展中，目前已有許多免費擴增實境應用系 統可以加以應用，而目前諸多學生有學習動機低落的情況，因此建議教育工作者可以嘗試 運用擴增實境於教學中以吸引學生注意，進而提升學習動機。另外，本研究實驗內容僅針 對國中自然科電磁學單元，建議未來相關研究可應用於其他複雜難懂的單元，或擴展應用 至其他科目。
（二）研究對象
本研究兩組學生分別接受擴增實境融入自然科教學和傳統教學，依上述結果顯示在學 習成效及整體學習動機上無顯著差異，本研究在實驗對象的安排上有改進的空間，建議未 來相關研究以同質性高的學生為主要研究對象，此外，建議也可以增加樣本數以降低研究 誤差並期望可以達到顯著差異水準。
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作者簡介
林志隆，國立屏東大學資訊科學系，助理教授（通訊作者）
Chih-Lung Lin is an Assistant Professor of Department of Computer Science, National Pingtung University, Pingtung, Taiwan. (Corresponding Author)
林芳如，國立屏東大學資訊科學系，研究生
Fang-Ju Lin is a Graduate Student of Department of Computer Science, National Pingtung University, Pingtung, Taiwan.
收稿日期：民國109年03月17日 修正日期：民國109年05月16日 接受日期：民國109年05月27日
THE EFFECT OF USING AUGMENTED REALITY ON STUDENTS’ LEARNING
MOTIVATION AND ACADEMIC ACHIEVEMENT IN SCIENCE INSTRUCTION - A CASE STUDY OF A NINTH GRADE LESSON IN
ELECTROMAGNETISM
Chih-Lung Lin Fang-Ju Lin
Department of Computer Science, National Pingtung University
ABSTRACT
As mobile devices and the internet are common nowadays, and mobile communication technology and image analysis technology are developing, augmented reality (AR) is rapidly evolving and gradually being widely used in many fields. The study used AR application as a new type of multimedia teaching tool in science instruction. The purpose of the study aimed to investigate the influence of using AR into science instruction for students’ learning motivation and academic achievement. The experiment adopted a pretest-posttest design on 49 ninth grade students. Before and after the experiment, the Electromagnetism achievement test and ARCS motivation questionnaire were used as evaluation tools. The result showed that using AR on science instruction can improve students’ learning motivation compared with traditional instruction. In particular, there is a significant difference in improving the attention of learning motivation.
However, there is no improvement effect and no significant difference in academic achievement between using AR and traditional science instruction.
Keywords: electromagnetism, academic achievement, learning motivation, augmented reality
