[[alternative]]An investigation of using "Virtual Laboratory" Digital Courseware to develop "Newton's second law of motion" curriculum in junior high school

碩士[[abstract]]本研究採用設計本位研究法，並結合系統化教學設計ADDIE模式進行國中階段「牛頓第二運動定律」實驗課程設計與發展。透過文獻，發現虛擬實境在教學上的優勢，以「牛頓第二運動定律」實驗課程為例，進行課程需求分析，結合相關學習理論，發展出「虛擬實境」實驗活動內容、教學策略及評量工具。希望藉由實驗活動過程，如提出假設、辨認變因、設計實驗過程、收集數據、作圖、推論等，協助學生了解基本的科學現象、原理與理論外，更訓練其科學探究能力，兼顧學生的學習動機和學習成效。 本研究實驗對象為臺北市某國中九年級學生共50人。以「虛擬實驗室」軟體（CVLab）發展實驗課程，應用於教學現場，進行為期八堂課（360分鐘）的教學。研究工具包括量化資料處理分析，以單元教學問卷、學習滿意度問卷了解學生學習動機、學習方式的感受程度是否有提昇；以同一組學生進行學習成就前後測驗，以相依樣本 t 檢定分析學習成就測驗之後測與前測成績平均數的差異是否達到統計上的顯著性差異。另外，輔以質化資料分析，以全程錄影方式做課堂觀察，於課程結束後收集學生學習心得記錄並訪談，藉以了解運用虛擬實境於實驗課程，學生的概念理解情形及學習感受，做為往後應用虛擬實境於課程的設計參考。 依據實驗結果歸納結果如下： 一、以「虛擬實驗室」數位教材，發展國中「牛頓第二運動定律」之實驗教學活動設計是可行的； 二、根據學生在「學習成就測驗」的相依樣本t 檢定達顯著性差異（p<.05），顯示使用「虛擬實驗室」數位教材融入「牛頓第二運動定律」實驗教學，對於學生了解實驗相關概念是有幫助的。 三、學生在接受「虛擬實驗室」數位教材進行實驗課程後的滿意度及意見： （一）學生對於實驗活動實施後的感受，持正面肯定的態度： （二）操作介面的使用觀感及意見：學生認為虛擬實驗室的操作介面很容易使用，對於了解實驗儀器的組合、操作步驟是有幫助的；其模擬的實驗環境具有真實性，比起一般傳統實驗方便、精準、更有效率。 （三）以虛擬實驗室進行實驗活動能提高學生的學習動機。 最後，根據研究結果，對於應用虛擬實驗於教學及課程開發提出相關建議，希望能有效發揮虛擬實驗室的優勢，提供國中教師進行實驗課程之參考。[[abstract]]This study adopts Design-Based Research (DBR) method together with Analysis, Design, Development, Implementation, and Evaluation (ADDIE) method to design and develop a “Newton''s second law of motion” curriculum in junior high school. Through literature review, we realized the advantages of virtual reality in teaching. Thus, using "Newton''s Second Law of Motion" as an example for experimental course, with curriculum-need analysis and related learning theory, we developed a "virtual reality" experiment activities with teaching strategies and assessment tools. Furthermore, through the process of experimental activities, such as proposing hypotheses, identifying variables, designing experiments, collecting data, mapping results, and conjecturing conclusion etc., we hope not only to help students understand the basic scientific phenomena, principles and theories, but also to train their scientific inquiry ability as well as learning motivation and effectiveness. There are 50 participants in this study, who are chosen arbitrarily from ninth grade students in a Taipei junior high school. The experimental duration is eight class-hours (360 minutes). “Virtual Reality Laboratory” (CVLab) software together with this experimental curriculum was applying in the class of real teaching environment. Research tools for this experiment include quantitative data analysis on unit-class questionnaire and learning satisfaction questionnaire, to understand whether students'' learning motivation and experiences are improving or not, and, within the same group of students, to measure and analyze whether the average scores of learning achievement dependent samples t tests before and after the learning achievement can reach statistically significant differences or not. In addition, adding the help of qualitative data analysis on the visual recording of entire teaching observation in the class and on the collection of student learning surveys and interviews in order to understand the use of virtual reality in this experimental course, the concept of students'' understanding and learning experiences. All of these can be references for future application of using virtual reality in a course design. Based on experimental results, we can summarize as following: 1. It is applicable to use “virtual reality laboratory” digital courseware to develop experimental teaching activity design on the “Newton’s second law of motion” in junior high school. 2. Reaching significant differences (p<.05) of the dependent samples t tests from the students in the "learning achievements tests", it indicates that embedding “virtual reality laboratory” digital courseware into “Newton’s second law of motion” experimental teaching is helpful for student to understand the relative concepts through these experimental activities. 3.The satisfactions and suggestions from students who went through experimental teaching courses with “virtual reality laboratory” digital courseware: (1) Students had sureness and positive attitudes on the feeling and feedback from the experimental activities. (2) Impressions and suggestions on the usage of operational interface: Students view that it is easy to operate the interface of the virtual reality laboratory. They realize operational steps are helpful to understand the composition of the laboratory instruments. They also agree the simulated experimental environment contains reality, and much more convenient, accurate, and effective than most traditional laboratory. (3) Students learning motivation can be improved by using virtual reality laboratory on experimental activities. Finally, based on this investigation results, we propose some suggestions regarding the application of virtual reality laboratory on teaching and course development, hope to effectively show the advantage of virtual reality laboratory, and provide references to the junior high school teacher on experimental teaching curriculum.[[tableofcontents]]誌謝 i 摘要 ii 目錄 vii 表目錄 ix 圖目錄 xi 第一章 緒論 1 第一節 研究背景與動機 1 第二節 研究目的 3 第三節 研究問題 3 第四節 研究範圍與限制 4 第五節 名詞解釋 4 第六節 研究貢獻 6 第二章 文獻探討 7 第一節 多媒體與電腦輔助教學 7 第二節 虛擬實境 11 第三節 實驗教學 18 第三章 研究方法 30 第一節 研究方法與流程 30 第二節 研究對象 34 第三節 虛擬實驗室軟體 34 第四節 研究工具 35 第五節 研究設計 36 第六節 資料處理與分析 40 第四章 研究結果 42 第一節 發現與整合階段 42 第二節 分析階段 43 第三節 設計階段 46 第四節 發展階段 60 第五節 應用階段 72 第六節 評鑑階段 83 第五章 研究結論與建議 133 第一節 研究結論 133 第二節 研究建議 138 參考文獻 141 中文部分 141 西文部分 145 附錄一 實驗一:自由落體 149 附錄二 實驗二：加速度與外力的關係 156 附錄三 實驗三：加速度與質量的關係 163 附錄四 實驗四：牛頓第二運動定律F=ma 170 附錄五 學習滿意度問卷 174 附錄六 「牛頓第二運動定律」學習成就測驗題目（前測） 179 附錄七 「牛頓第二運動定律」學習成就測驗題目（後測） 185 附錄八 學習心得記錄表 191 附錄九 學習者訪談大綱 193 附錄十 「牛頓第二運動定律」前後測試題分析雙向細目表 194 附錄十一 教學課程評鑑表 195 表目錄 表2- 1：基於虛擬情境的教學模式及特徵 ......................................................... 24 表4-1：探究實驗教學設計與理化課本傳統實驗課程之比較 .......................... 54 表4- 2：實驗流程 ................................................................................................. 60 表4- 3：「自由落體」實驗活動設計 ................................................................... 61 表4- 4：「加速度與外力的關係」實驗活動設計 ............................................... 62 表4- 5：「加速度與質量的關係」實驗活動設計 ............................................... 64 表4- 6：「外力、質量與加速度的關係」實驗活動設計 ................................... 66 表4- 7：學科專家名單 ......................................................................................... 70 表4- 8：「教學課程評鑑」專家意見彙整表 ....................................................... 71 表5- 1：實驗活動（一）課堂觀察 ..................................................................... 75 表5- 2：實驗活動（二）課堂觀察 ..................................................................... 78 表5- 3：實驗活動（三）課堂觀察 ..................................................................... 80 表5- 4：實驗活動（四）課堂觀察 ..................................................................... 82 表6- 1：實驗一：自由落體單元教學問卷結果 ................................................. 83 表6- 2：實驗二：加速度與外力的關係單元教學問卷結果 ............................. 84 表6- 3：實驗三：加速度與質量的關係單元教學問卷結果 ............................. 86 表6- 4：實驗四：牛頓第二運動定律F=ma 單元教學問卷結果 ...................... 87 表6- 5：學習滿意度問卷調查分析統計之一. .................................................... 89 表6- 6：學習滿意度問卷調查分析統計之二 ..................................................... 90 表6- 7：學習滿意度問卷調查分析統計之三 ..................................................... 93 表6- 8：學習滿意度問卷調查分析統計之四 ..................................................... 94 表6- 9：學習滿意度問卷調查分析統計之五 ..................................................... 97 表6- 10：課後學習單作答內容分析 ................................................................. 119 表6- 11：全體學生前測和後測之成對樣本統計量 .......................................... 125 表6- 12：高、中、低分組學生前測和後測之成對樣本統計量 ..................... 125 表6- 13：全體學生前測與後測之相依樣本t 檢定 .......................................... 126 表6- 14：高、中、低分組學生前測與後測後之相依樣本t 檢定 .................. 127 表6- 15：高、中、低分群學生前測與後測後差異量之單因子共變數分析 . 127 表6- 16：「學習成就測驗」前後測各題答對率 ............................................... 128 表6- 17：高分群學生「學習成就測驗」前後測各題答對人數統計表 ......... 129 表6- 18：中分群學生「學習成就測驗」前後測各題答對人數統計表 ......... 129 表6- 19：低分群學生「學習成就測驗」前後測各題答對人數統計表 ......... 130 表6- 20：高、中、低分群學生「學習成就測驗」前後測各題答對人數差 異量彙整表 ......................................................................................... 130 圖目錄 圖2- 1：虛擬實境三大特性（梁朝雲、李恩東，1998） ................................. 12 圖3- 1：研究流程圖 ............................................................................................. 33 圖4- 1：「自由落體」實驗操作介面 ................................................................... 47 圖4- 2：「牛頓第二運動定律」實驗操作介面 ................................................... 48 圖4- 3：實驗結果介面 ......................................................................................... 48 圖4- 4：虛擬實驗室「自由落體」之實驗架構 ................................................. 51 圖4- 5：虛擬實驗室「牛頓第二運動定律」之實驗架構 ................................. 52 圖4- 6：引導式探究實驗活動之架構 ................................................................. 56 圖5- 1：上課情形 ................................................................................................. 73 圖5- 2：分組討論情形 ......................................................................................... 74 圖5- 3：上台分享討論情形 ................................................................................. 75 圖6- 1 ：「學習成就測驗」前後測各題答對率 ............................................... 129 圖6- 2：高、中、低分群學生前後測各題答對人數差異量統計 ................... 130[[note]]學號: 703740257, 學年度: 10