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第一章 緒論
1.1 研究背景與動機
近年來，模擬式的電腦輔助教學軟體在科學學習領域中，應用漸趨廣泛。電 腦模擬軟體常用於模擬比較耗時、比較危險或是比較昂貴的實驗，經由這些模擬 軟體，讓學生能體驗複雜的實驗過程(例如飛機的駕駛與醫療手術等)。在物理學 領域中，也可經由模擬，體會物理學中微世界的變化。這些電腦模擬，儘可能逼 真的將真實現象以預先設計好的畫面呈現在螢幕上，有些模擬軟體還會加上互動 的功能。利用這樣的互動方式，讓學習者有機會「操作」並「觀察」整個實驗或 現象推演過程(Gallagher, 1987)。
視覺化為模擬學習的方式之一，亦為外在表徵之一種表現。Ainsworth(2006) 認為視覺化可幫助學習，當學習者學習複雜的概念時，視覺化能提供多樣益處，
尤其在學習活動中，讓學習者藉由與多重外在表徵「互動」而達到認知層次的提 升。Gordin 和 Pea(1995)也提出視覺化與模擬能為教育帶來希望，是因為其利用 人類特有，具有區別模式及觀察程序的視覺化系統，藉以提升認知學習層次。
最近有許多以電腦視覺化模擬幫助學習的研究，這些研究幾乎涵蓋了所有科 學的領域範疇 (Luo , Stravers 和 Duffin., 2005; Jensen 2002; Khoo 和 Koh, 1998) 。然而到目前為止，電腦視覺化或是動畫在幫助學習成效的研究結果，有 好有壞。有些研究指出電腦視覺化對於學習有正面影響(Catalano 和 Tonso, 1996;
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Colaso et al., 2002; Luo et al., 2005; Jensen 2002; Meyer, 1997; Naps et al., 2003;
Wallace 和 Mutooni, 1997)。以 Colaso et al. (2002) 在資料結構的教學研究中為 例，提出受試者認為視覺化是非常有幫助的，因為能夠模擬且激發他們去學習新 的問題，幫助他們擷取概念，進而轉化進入長期記憶中；另外，也有視覺化的研 究結果指出，視覺化無法增進學習效果(Reamon, 1997; Regan 和 Sheppard, 1996)。如林合彥(2004)指出，國內外許多提供動畫模擬教材的網站，其設計的重 心偏重於讓教師在客堂上配合教學展示使用。這樣的設計模式並未讓學習者真正 能從模擬軟體中的操作得到知識內化的建構過程，因此多半未達學習成效。
為了探究視覺化為何對學習無正向影響，開始有一些研究深入探究，欲找出 其認為可能的因素，這些研究結果歸納之後，發現對視覺化成效影響各種可能要 素中，有一共通的建議，即是，視覺化若能加上與學習者互動，增加學習者操作 機會，能夠增加其學習成效(Anglin et al., 2004; Tversky, 2002; Naps et al., 2003;
Jensen 2002; Calaso et al., 2002; Korhonen 和 Malmi, 2000)。例如黃福坤(2003)提 出，透過電腦模擬，學習者不僅可以及時觀看現象的動態變化，還可以藉由圖表 同步顯示過程中參數的變化趨勢，協助學習者進行更高層次的思考，而適當的運 用電腦視覺化模擬進行互動式的操作，更可以協助學習者進行更高層次抽象的思 考。
以建構論與發現式學習的觀點而言，學習者能夠經由自我觀察、探索、體會、
與省思等思考活動而建立知識。學習者在學習過程中所扮演的角色，已由被動的
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知識接收者，變為主動的知識建構者，而發現式學習主張學習者在探索過程中的 自我覺察能夠激發學習者反覆思考與整合抽象概念。學習者或許在透過操弄與探 索的學習過程中，更能達到建構學習與發現式學習之目的。
在簡單電子電路學中，學生會有的困難大都是由於對某些抽象概念不完全瞭 解，這些概念指的是被理想的模型預測出會有的系統反應；學生會有的其他困難 則是由於不能將形式上的呈現連結到真實的電路(Ronen 和 Eliahu, 2000)。在電子 電路學的範疇中，因為看不見真正的電路流動等現象，因此複雜的電路原理，經 常讓學習者無法理解其中微世界的抽象概念，造成學習上的困難，而老師在教學 上，往往也無法真正解釋清楚如此複雜概念的細節。電子學中這樣的抽象概念，
若無即時回饋，以傳統教學方式容易使學生產生挫折而減低興趣(Oakley, 1992)。
到目前為止，以電腦視覺化模擬方式應用在電子學模擬教學上之文獻十分有 限，若能利用視覺化模擬解決學習者學習抽象概念的困難，增進理解，再加上模 擬操作實驗過程，應可提升學生的實驗學習動機，亦可供學生作為課前預習或是 課後複習之用途。
綜合以上，本研究設計「電子學視覺化與操作之模擬軟體」，以多媒體視覺 化動態呈現的「概念釐清」單元，讓學習者利用視覺化擷取概念，並配合根據概 念而設計「模擬操作」單元，引導學習者從題目的參數操作與系統回饋中強化概 念，並透過知識內化的建構過程，將概念轉進長期記憶，增加學習者學習成效。
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1.2 研究目的
本研究主要是希望透過電子學模擬軟體的視覺化概念呈現，加上引導式模擬 操作，讓視覺化學習更加具有成效。希望研究結果能增進學習者在電子傳播課程 中的二極體電路單元的學習成效。主要研究目的有三：
一、探討學習者在使用只有「視覺化功能」模擬軟體與使用「視覺化加上操作功 能」的模擬軟體，當作課後複習工具之後，其學習成效上的差異。
二、透過歷程分析，探討個別學習者其不同的學習模式與其學習成效的關聯性。
三、探討學習者在使用模擬軟體後，對電子學視覺化與操作之模擬軟體之態度。
