科學包括高度抽象及複雜的主題，學生經由操作實驗 才能更瞭解科學

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第一章 緒論

第一節 研究動機與重要性

綜觀二、三千年來的科學發展史可以發現科學知識大部分來自於自然觀察與 科學實驗，許多科學理論的演進皆取決於實驗結果之證實與啟示。因此實驗可說 是獲得科學知識的基本工具和最佳途徑，實驗活動更是科學教學和研究上重要的 一環（林陳涌，1995）。親手操作實驗是建構科學知識重要的管道之一，且在學 生科學概念的學習也具有高度效益，所以大多數的自然科教師肯定實驗教學在自 然科學課程學習的重要性。科學包括高度抽象及複雜的主題，學生經由操作實驗 才能更瞭解科學。實際之經驗能增進技能發展而能引起科學學習的興趣（Tamir, 1976；引自林秀蓁，1995）。雖然實驗教學的重要性備受肯定，但學生實作實驗 時，因器材設備不足，使得學生無法親自動手操作實驗，再加上時間不夠充裕，

操作過程中無法仔細觀察、分析及充分討論等因素，導致學生實驗學習效果不易 掌握，也使得教師帶學生進實驗室的意願低落，實驗教學效果不彰（黃寶鈿和劉 靄雯，1993）。

在檢討實驗教學的聲浪中，有一種實驗教學策略常被討論即電腦模擬，因為 電腦模擬在概念改變教學與建構教學的相關文獻中已被證明有效，若能夠讓學生 在虛擬實驗室中進行實驗，可望能解決實驗教學的困難。

電腦模擬是一程式，而此程式內含著一種系統或過程的模型（de Jone et al., 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）。使用電腦模擬來促進學生的概念發展是相當有益的（Gorsky &

Finegold, 1994；Hameed, Hackling, & Garnett, 1993；Lewis & Linn, 1994；Reif, 1987；White, 1984；Zietsman & Hewson, 1986），電腦模擬教學強調使用電腦去 建立模式來模擬真實世界中的現象，學生可經由參數的輸入，透過操控螢幕中的

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物件探索過程中隱含的學科概念，探索、考驗假說及嘗試發現該現象的合理解釋 等認知過程，進而促進概念發展（黃福坤，2003）。美國國家科學教育標準（National Science Education Standards）中提及使用電腦模擬於科學教育的原因，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。近年來有不少模擬學 習方面的相關研究，顯示電腦模擬在提升學習動機及學習成效上的效果頗為顯著

（Gutwill, Frederiksen, & White, 1999；Zietsman & Hewson, 1986；White, 1984；

Hameed et al., 1993；吳昌家，2002；李秀貞，2002；林傳傑，2003；邱俊宏，2004；

高德義，2003；曾靖華，2003；黃竹坤，2001）。

使用電腦模擬實驗室就是讓學生在電腦教室進行虛擬實驗，然而學習成效是 否與在實驗室進行實驗相同呢？模擬實驗室是否能夠克服實驗教學遇到的困 難。除了可以解決儀器準備，教室管理等問題，對於學生概念學習是否一樣有幫 助呢？許多研究肯定模擬實驗室的學習成效，卻未深入探討使用電腦模擬實驗與 動手操作實驗對於學生概念學習的差異。本研究將比較兩個對概念改變有效的教 學策略─即實驗教學與電腦模擬，了解學生在這兩種不同環境下進行實驗是否影 響其概念學習。

本研究將針對較抽象的光學單元進行研究，中學生普遍認為光學為較難理解 的單元，其中選定「透鏡成像」實驗作為本研究的研究內容。本研究對象為八年 級學生，針對此單元設計一個適合這兩種環境的實驗，一個環境是在實驗室使用 動手操作光學桌實驗器材，另一個環境是在電腦教室使用電腦模擬光學桌軟體為 實驗器材，使用的電腦模擬是 Wolfgang Christian 和 Mario Belloni 在 2004 年共 同設計的 Physlet Physics 軟體。比較兩個實驗環境的學習成效、概念學習過程的 差異，進而探討兩種實驗環境對不同學習成就學生的影響。本研究藉由探討兩種 實驗環境對學習成效的影響，檢討實驗教學的益處與困難，提供這兩種教學策略 上的建議給教育界先進們進行實驗教學時作參考，能在進行實驗時依照單元的特 性來選擇合適的教學策略。

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第二節 研究目的與研究問題

一、研究目的

針對國中自然與生活科技「透鏡成像」的學習單元，探討兩組八年級的學生 使用不同的實驗環境對學習成效的影響。一組在電腦教室使用電腦模擬光學桌，

另一組在理化專用實驗室使用光學透鏡組。比較其學習成效、概念內容的成效差 異，進而探討兩種實驗環境對不同學習成就學生的影響。

二、研究問題

基於上述研究目的，研究問題如下：

(一) 在透鏡成像實驗中，使用電腦模擬實驗與動手操作實驗之學習成效是否有 差異？

(二) 在透鏡成像實驗中，電腦模擬實驗組與動手操作實驗組對特定概念內容的 學習成效是否有差異？

(三) 在透鏡成像實驗中，不同學習成就學生與兩種環境進行實驗（電腦組與操 作組）之間是否有交互作用？

第三節 名詞解釋

一、動手操作實驗

本研究中定義的「動手操作實驗」是使用光學透鏡組做實驗，並在理化專用 實驗室進行實驗，實驗器材有光學桌、凸透鏡、凹透鏡、手電筒、屏幕等。並以

「動手操作實驗」的班級簡稱為操作組。

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二、電腦模擬（Computer Simulation）

電腦模擬定義為「以真實或理論模型的可調控電腦程式」（Thomas & Hooper, 1991 ）。 電 腦 模 擬 教 學 程 式 的 核 心 是 一 種 可 供 操 弄 的 模 型 （ Manipulatable Moble），這個模型代表一個真實或虛擬的情境。此類電腦模擬教學軟體可顯現 因學習者改變初始值而變化的現象或理論模式的狀態，學習者須依個人的理解去 解釋模擬結果的意義（黃福坤，2003）。

三、迷思概念（Misconceptions）

迷思概念的定義為「在學生接受正式教育之前，對於自然界已有他們的自己 的想法，不同於科學家的科學概念（Novak & Gowin, 1984）。」例如學生在凸透 鏡成像單元可能有的迷思概念為─凸透鏡成像時，將透鏡遮住一半時，只能產生 一半的像，因為有一半的像被擋住了（Galili & Hazan, 2000）。

第四節 研究範圍與限制

本研究的範圍與限制如下：

一、 本研究所探討的內容為國中自然與生活科技課程中「透鏡成像」的概念，

二、 本研究結果在其他概念領域不宜作過度推論。

三、 本研究只探討概念成就與實驗情境之間的關聯，其他影響因素，不在本研 究討論範圍。

四、 本研究之研究對象只有限於台北市國中八年級學生，樣本數 70 人，因此不 適合作廣大的推論。