不同程度之学习支援对网路化问题导向学习之影响.doc

不同程度之學習支援對網路化問題導向學習之影響The Effect of Differential Learning Support on Web-based PBL陳明溥、顏榮泉國立台灣師範大學 資訊教育研究所E-mail:.tw本研究旨在探討網路化問題導向學習平台上學習者之小組合作互動與問題解決成效。107位專科學生透過網路化學習平台所提供之問題情境與解題範例，按照(1)了解問題、(2)擬定計劃、(3)撰寫程式、(4)測試除錯之問題解決步驟進行為期四週之資料庫專題製作。研究結果發現：低學習支援組專題製作之成效顯著優於中、高學習支援組，而且高先備知識組在專題製作之成效也顯著優於低先備知識組；在問題解決歷程各階段(瞭解問題、擬定計劃、撰寫程式、測試除錯)及討論區之使用方面，高學習支援組在瞭解問題、擬定計劃、撰寫程式、及測試除錯等步驟之發表次數顯著高於中、低學習支援組。關鍵詞：問題解決、網路化學習、教學設計The main purpose of this study is to investigate the interaction and performance in a web-based problem-solving environment. There were 107 junior college students participated in this study and worked on a 4-week database development project following the problem-solving steps of (1) defining the problem, (2) planning, (3) coding, and (4) testing and debugging. The results showed that low-support group outperformed medium-support group and high-support group on the project performance. In the problem-solving process, however, high-support group made more entries on the web-based interactiive platform than low-support group and medium-support group. Keywords： Problem solving, Web-based learning, Instructional design1 引言問題導向學習(Problem-based Learning, PBL)是在提供解決問題的必要資源、指引、與探索機會下，使學習者能在解決問題的過程中主動建構知識與發展問題解決的技能(Mayo, Donnelly, Nash, & Schwartz, 1993)。通常在PBL的學習情境中，學習者是以小組討論與分工合作為學習方式，並嘗試驗證各種問題可能的解決途徑，以避免惰性知識(inert knowledge)的產生。與傳統的講述式教學(lecture)相比較，PBL較注重高層次的科學規則歸納與問題解決技能之培養，因此可以有效促進學習者有意義的學習(meaningful learning)，進而獲致更佳的學習效益(Aspy, Aspy & Quimby, 1993; Bridges & Hallinger, 1992)。Norman及Schmidt (1992)指出：雖然以PBL做為主要學習策略的研究，仍未發展出適合一般通用知識的問題解決技能，但PBL因符合科學學習之假設、驗證的學習歷程，以及符合建構論以學生為中心之自我引導(self-directed)理念，故能由早期的醫學教育逐漸擴及至現今成為各個領域學門所廣泛採用之教學方法與策略。從學習較高層次的智能技巧而言，運用PBL能有效提昇學生的學習成就與問題解決能力已經多方研究證實(Geban, Asker & Ozkan, 1992; CTGV, 1997)。然而，自從PBL學習策略發展至今，絕大多數的教材設計均是以教室情境為載台，陳述問題的方式也大多是以文字敘述為主要方式(間或輔之以圖片)，而回饋與評量的方式更是以教師的觀察與紙筆記錄為之。由近年來多媒體與網路科技的蓬勃發展趨勢來看，PBL的學習方式如何以更寬廣的電腦虛擬空間來應用，是相當值得探討的議題。2.問題解決與學習2.1問題解決之模式Hayes(1980)在分析問題解決的過程後，提出確認問題、擬定解決計劃、蒐集與探索資訊、實際行動、及評估結果等問題解決的不同階段。Bransford及Stein(1984)也提出類似之IDEAL model (Identify, Define, Explore, Act, Look back)用以描述問題解決的過程。Andre(1986)進一步認為：像IDEAL model這類型一般性之啟發式問題解決模式，在解決不熟悉領域的問題時最為有用。另外，Newell及Simon(1972)則以資訊處理之觀點提出了問題解決之資訊處理模型(information processing model of problem solving)，以問題之心智表示式(mental representation)與次目標(sub-goals)構成之問題空間(problem space)來說明問題解決之資訊處理過程。2.2問題解決之策略在問題的解答不明顯的情況下，通用性問題解決策略是尋找解答上很有用的方法(Andre, 1986)。Schunk(1996)指出常見而且有效的通用性問題解決策略有：假設-驗證策略(Generate-and-Test Strategy)、方法-結果分析(Means-Ends Analysis)、類比推理(AnalogicaReasoning)、以及腦力激盪(Brainstorming)等策略。然而，Schunk建議：在學習者熟悉的知識域中，領域特定策略(domain-specific strategy)比通用性問題解決策略更為有效。2.3不同類型之問題導向學習模式隨著愈來愈多的學科領域應用PBL的教學策略，使得PBL的教學模式也逐漸的創新改進，Duffy認為下列各種學習型態便是以PBL為基礎的創新應用(Duffy, Lowyck, & Jonassen, 1993; Savery & Duffy, 1995)：2.3.1 錨式情境教學(Anchored Instruction)：以Venderbilt的Jasper系列教材為代表(Cognition & Technology group at Vanderbilt, 1997)。Jasper以解決真實情境中的任務挑戰(challenge)為學習目標，先以影碟呈現故事情節與解決問題的線索，讓小組學生持續一段時間不斷的分工、合作、探索與意見交換，來發展及驗證各種可能解決方案(open-ended solution)的可行性。2.3.2 目標導向情境學習(Goal-Based Scenario)與案例學習(Case-Based Learning)：以Northwestern大學的案例推理學習(Case-Based Reasoning)為主要代表(Schank, 1995)。案例推理是以真實世界中的案例(case)為學習目標，設計模擬情節的劇本並拍攝成擬真的影片，以協助學習者建構發展解決問題的推理技能與程序。2.3.3 專題式學習(Project-Based Learning)：通常以探索真實的科學知識為專題內容，強調合作學習，透過提出對科學現象的種種證據，來整合學習社群中的分散性知識(distributed knowledge)，並藉此改變學生的質樸概念(naive concept)。相當多的科學學習採此種專題式學習為主要策略，其中以Berkeley的KIE(Knowledge Integration Environment, Bell & Davis, 1996)為主要代表。2.3.4 主題式教學(Theme-Based Instruction)：以Nebraska的成人素養教育為代表(Dirkx & Prenger, 1996)，是先定出中心主題做為課程內涵，再藉由學生陳述近程經驗(near experience)與遠程經驗(far experience)來進行知識的整合與類化學習，以促進真實生活情境中科技應用之意義化學習。3. 網路環境提供PBL的新思維電腦與網際網路的快速發展已經對傳統教與學的方式產生了革命性的影響，運用電腦網路科技之互動、分散處理、與超媒體等特性，為PBL之發展提供了新的思維方向。3.1社會學習的交互決定論網路環境克服了時間與空間的因素，使得學習的內、外在事件或多或少均面臨此一本質上的衝擊。就學習者的社會關係而言，藉由網路之互動特質，使學習者從單一的班級學習社群，延申至多元角色的網路學習社群。在此多元的學習情境下，學習的重心是否能順利由原本的偏重個人認知建構，逐漸轉移至由群體協商以完成決策與認知建構的方式，是值得探討的一項議題。Bandura (1986)曾指出：側重行為或認知的學習理念，是一種單向的決定論(uni-directional determinism)，無法完全描述學習者在社會群體互動中的學習行為。因此，他提出社會學習的交互決定論(reciprocal determinism)認為學習應是個體、行為與環境在不斷的交互作用下所形成的。Savery及Duffy (1995)則進一步認為：如果學習是個體不斷與環境交互作用的過程，那麼網路化學習便可以說是學習者在社群中不斷內在化與外在化的過程。3.2分散式知識Brown(1993)在討論學習社群的理念時，曾提出分散式認知的概念，意即在群體的學習環境中，知識的形成必須仰賴整合分散於群體中每個組成份子的部份專精知識(distributed expertise)方得以達成。學習社群是學習者基於不同的社會關係所各自形成的學習群體(如家庭、學校、同事、鄰居、學會、社團等)，能提供學習者正式或非正式(邊際)參與學習的機會(Lave & Wenger , 1991)。而分散式的學習社群則是更進一步探討學習者同時隸屬於不同學習社群時，影響學習的種種環境因素問題。在分散式的學習社群的環境下，教材的設計、學習策略的運用、乃至於整體的學習環境應提供什麼樣的輔助工具等，均是值得深入探討的議題。3.3 鷹架式知識整合(Scaffolded Knowledge Integration)Linn(1995)在闡述KIE(Knowledge Integration Environment)的設計理念時，曾提出鷹架式知識整合(Scaffolded Knowledge Integration, SKI)之學習理念。SKI主要的重點包含：3.3.1 確認新的學習目標(identify new goals for learning)：由於KIE著重建構式的學習，讓學習者以主動的方式參與知識建構的過程。因此KIE鼓勵學生將生活中各種有關科學的想法都帶到科學教室中來做進一步的探索，亦將所獲得的科學概念帶到生活中去驗證。於是，KIE提供思考性的工具協助學生發現自己感興趣的問題，並適切的評估個人進一步探索的方向與目標。3.3.2 思維透明化(make thinking visible)：KIE多元化的教材深度允許學生建構出自我的理解概念，並經由提供輔助的鷹架工具，來呈現學生的過渡概念(intermediate concept)。學生可透過反覆驗證的過程，將自己的質樸概念(naive concept)透明化，並逐漸修正成更正確的科學概念。3.3.3 鼓勵成為終身學習者(encourage lifelong learning)：由於科學學習是不斷追求真理的過程，因此SKI的目的在協助學習者發展自我監控學習的能力，包括呈現概念、建立學習模組、運用學習策略、評鑑驗證方法，與自我激勵等，學生將會藉由此種真實科學情境的探索過程、後設認知之反思與監控(reflection and monitoring of meta-cognition)，而成為自發性的終身學習者。3.3.4 提供社會性支持(provide social supports)：電腦網路實現了建立虛擬學習社群的可能。在社群理念中，學習者同時具有正式與邊際式的參與機會(Lave & Wenger, 1991)，在提供適切的互動工具或鷹架，促進學習參與協商的活動，使社群份子彼此分享知能、分工合作，進而達成提昇社群整體知能之效果。4.研究方法本研究是以“思維透明化”之理念及專題式學習(Project-Based Learning)之模式，以網際網路做為問題導向學習之平台，並提供學習者高、中、低三種不同程度之問題解決導引問題作為學習支援，以探討學習者之先備知識、學習支援類型(高、中、低)對於合作式問題導向學習成效之影響。各學習支援組是由系統主動提供不同程度之問題解決導引問題作為小組合作之討論重點，小組成員則是藉由平台之互動機制進行問題解決之討論；系統則會紀錄小組問題解決之所有互動內容，並提供各成員參閱與討論，使所有小組成員對於問題解決之任何想法、做法等有組織地呈現出來，達到“思維透明化”之境界，進而促進小組成員之反思與問題解決成效。本研究將(1)瞭解問題、(2)擬定計劃、(3)撰寫程式、(4)測試除錯之問題解決鷹架建置於網路化合作學習平台，提供學習者進行專題式問題解決。共計有二班107位專科學生分為26個小組利用本系統平台進行為期四週之資料庫系統分析、規劃、及實作。本研究採因子設計(factorial design)，以問題解決鷹架(低、中、高)及電腦先備知識(低、高)做為本研究之獨立變數(independent variables)，並以學習者資料庫系統專題製作之成效做為相依變數(dependent variable)分別進行變異數分析(ANOVAs)，以探討問題解決鷹架支援(低、中、高)及電腦先備知識對網路化問題解決學習成效之影響。學習者個人及小組之學習互動歷程皆由系統進行紀錄，並據以探討問題解決歷程變數(了解問題、擬定計劃、撰寫程式、測試除錯)與問題解決成效之關係，實驗教學結束後並以問卷調查了解學習者對網路合作學習之態度。本研究所使用之研究工具有：(1)網路化問題解決平台(提供低、中、高問題解決鷹架)、(2)資料庫系統實作專題、及(3)網路化合作學習態度問卷一份。資料庫系統實作專題由兩位任課教師分別評分(r = .969)再取平均數做為專題之得分。電腦先備知識則是採用前一學期之管理資訊系統課程之T分數。5.實驗結果與討論本研究主要探討不同程度問題解決鷹架支援及先備知識對資料庫系統專題製作成效之差異，並針對專題製作之問題解決歷程(瞭解問題、擬定計劃、撰寫程式、測試除錯)學習者在總時間、得分、瀏覽次數、發表次數等之差異，最後進行態度問卷之分析。5.1學習成效與歷程之分析在學習成效與歷程之分析方面，分別就問題解決學習支援(低、中、高)及電腦問題解決先備知識(高、低)在資料庫系統專題製作之問題解決歷程(瞭解問題、擬定計劃、撰寫程式、測試除錯)中學習者的總時間、得分、發表次數等之差異進行分析，並比較各組專題製作成果之差異。在專題製作成果分析方面，問題解決學習支援(低、中、高)及電腦問題解決先備知識(高、低)各組之平均數摘要如表一、二所示。如表三所示，經變異數分析得知問題解決學習支援及電腦先備知識顯著影響專題製作之成效，F (2,101) = 33.535, p .001 及 F (1,101) = 7.095, p = .009，但二者之交互作用未達顯著水準；在問題解決學習支援方面，經Scheffe多重比較結果得知，僅提供問題解決步驟與各步驟之引導問題之低學習支援組專題之成效顯著優於提供較完整問題解決引導問題之中、高學習支援組；但中、高學習支援組間則無顯著差異。而在電腦先備知識方面，高先備知識者在本研究之專題成效上顯著優於低先備知識者。表一問題解決學習支援(低、中、高)各組之專題製作平均數摘要學習支援MeanStd. DeviationN低64.7898.30938中54.5595.84737高51.3635.11032Total57.2368.759107表二電腦先備知識(高、低)各組之專題製作平均數摘要先備知識MeanStd. DeviationN高59.4819.45559低54.4776.97248Total57.2368.759107表三資料庫專題製作之多變項變異數分析摘要SourceType III Sum of SquaresdfMean SquareFSig.Corrected Model4008.8965801.77919.640.000Intercept328640.9371328640.9378050.125.000學習支援2738.06721369.03333.535.000先備知識289.6481289.6487.095.009鷹架支援*先備知識186.474293.2372.284.107Error4123.25710140.824 Corrected Total8132.153106 R Squared = .493 (Adjusted R Squared = .468)在問題解決歷程所花費之總時間與歷程之得分分析上，問題解決學習支援(低、中、高)及電腦先備知識(高、低)各組之平均數摘要如表四、五所示。經多變項變異數分析得知各學習支援組別在專題製作歷程總時間(分鐘)及歷程得分方面，皆無顯著差異存在；但電腦先備知識則顯著影響學習者專題製作所花費之總時間，F (1,101) = 7.120, p = .009。高先備知識者投入在本研究之專題製作上的時間顯著高於低先備知識者。表四問題解決學習支援(低、中、高)各組之專題製作歷程總時間(分鐘)及得分學習支援MeanStd. DeviationN總時間低551.2895251.078938中451.2973288.677737高595.9688329.955132Total530.0748292.8906107歷程得分低23.552611.422438中18.59469.668037高24.187511.408632Total22.028011.0321107表五電腦先備知識(高、低)各組之專題製作歷程總時間(分鐘)及得分先備知識MeanStd. DeviationN總時間高596.5932295.778259低448.3125270.426948Total530.0748292.8906107歷程得分高23.728810.899059低19.937510.945548Total22.028011.0321107在問題解決歷程各階段(瞭解問題、擬定計劃、撰寫程式、測試除錯)及討論區之使用方面，經多變項變異數分析得知學習支援各組在專題製作歷程之瞭解問題、擬定計劃、撰寫程式、測試除錯及討論區之發表次數等皆有顯著之差異，而電腦先備知識(高、低)各組在問題解決歷程各階段則無顯著之差異。專題製作歷程之發表次數平均數如表六所示，針對問題解決各歷程階段得分之多變項變異數分析摘要如表七所示。經Scheffe多重比較結果得知，高學習支援組在專題製作歷程之瞭解問題、擬定計劃、撰寫程式、及測試除錯等各步驟之發表次數顯著高於中、低學習支援組；而對於討論區之使用則是低學習支援組顯著高於中、高學習支援組。表六問題解決學習支援(低、中、高)各組之專題製作歷程之發表次數平均數鷹架支援低中高瞭解問題5.86846.86499.5313擬定計劃6.23686.18928.0000撰寫程式3.05261.43243.9375測試除錯4.52633.56765.9375討論區使用30.26328.405417.7500表七資料庫專題製作歷程變數之多變項變異數分析摘要Dependent VariableType III Sum of SquaresdfMean SquareFSig.瞭解問題231.8562115.9287.599.001擬定計劃91.285245.6423.370.038撰寫程式107.887253.9433.876.024測試除錯99.903249.9514.077.020討論區使用7972.67423986.3375.179.0075.2態度問卷分析本研究教學實驗完成後隨即實施網路化學習態度問卷，以便揆集學習者對網路合作學習之相關看法。本研究之態度問卷採五點量表之設計，分為六大項共24題，旨在了解學習者對 (1)專題題目之瞭解、(2)小組合作學習之品質、(3)引導問題之成效、(4)問題解決之鷹架與解題資訊、(5)組間之競爭性、及(6)專案目標之達成率等之看法，本研究態度問卷之信度為 .8618 (Alpha)。態度問卷之結果統計如表八所示，各項得分都達中上之滿意程度。經多變項變異數分析得知問題解決學習支援及電腦問題解決先備知識(高、低)各組間之各向態度皆無顯著差異。表八態度問卷之結果統計摘要MeanStd. DeviationN(1)專題題目之瞭解4.1145.3950107(2)小組合作學習之品質4.2430.5521107(3)引導問題之成效3.6846.6020107(4)問題解決之鷹架與解題資訊3.6145.6767107(5)組間之競爭性4.1939.4872107(6)專案目標之達成率4.0421.57001076.未來研究建議本研究結果顯示在網路化問題導向學習平台上，低學習支援組學習者資訊專題製作之成效顯著優於中、高學習支援組，但在在問題解決歷程之各階段(瞭解問題、擬定計劃、撰寫程式、測試除錯)，高學習支援組則在發表次數上顯著高於中、低學習支援組。此現象顯示提供較多的問題解決鷹架支援對問題解決過程之互動有促進之效果，然而專題製作之最終成效卻顯著低於低學習支援組之表現。其原因可能是專題製作之評分是依照各組所完成正規化分析及實體關係圖之Entities analysis, Attributes analysis, Normalization analysis, Fields list, 及Relationship analysis，以及系統實作之Table design, Query design, Form design, Report design, Macro design, Interface design, 及function design等細節一一評分，學習者經由系統提供過多解題資訊反而影響其問題解決之表現，而接受適當解題鷹架與資訊之學習者則較有機會自行發展出系統實作之細節(其顯著頻繁的討論區使用或可資佐證)，因而專題製作獲致較佳之成效。此現象之確切原由有待後續研究進一步深入探討。本研究結果顯示：先備知識及適切之學習支援可有效促進網路化學習環境中之問題解決成效，但對於先備知識不足之初學者，給予過多的資訊對問題解決成效並沒有顯著之助益。如何有效設計及提供適切之鷹架支援以補強先備知識則需進一步探討。致謝本研究承蒙中華民國行政院國家科學委員會科學教育處專題研究計劃補助(NSC89-2511-S-003-066)始得以順利完成。 參考文獻1 Anderson, J. R. (1995). Cognitive Psychology and Its Implication. New York: Freeman and Ccompany.2 Andre, T. (1986). Problem and education. In G. D. Phye & T. Andre (Eds.), Cognitive classroom learning: Understanding, thinking, and problem solving (pp. 169-204). Orlendo: Academic Press.3 Aspy, D. N., Aspy, C. B., & Quimby, P. M. (1993). What doctors can teach teachers about problem-based learning. Educational Leadership, 50(7), 22-24.4 Bandura, A. (1986). Social fundations of though and action: A social cognitive theory. Engle-wood Cliffs, NJ: Prentice Hall.5 Barrows, H. S., Myers, A. C. (1993). Problem-based learning in Secondary Schools. Unpublished monography. Springfield IL: Problem-Based Learning Institute. Lanphier High School and Southern Illinois University Medical School.6 Barrows, H. S. (1994). Practice-based learning: Problem-based learning applied to medical education. Springfield IL: Southern Illinois University Medical School.7 Bransford, J. D., & Stein, B. S. (1984). The IDEAL problem solver: A guide for improving thinking, learning, and creativity. New York: Freeman.8 Bridges, E., & Hallinger, P. (1992). Problem-Based Learning For Administrators. ERIC Clearinghouse on Educational Management, University of Oregon.9 Brown, A. L., Ash, D., Rutherford, M., Nakagawa, K., Gordon, A. & Campione, J. C. (1993). Distributed expertise in the classroom. In G. Salomon (Ed.). Distributed cognitions: Psychological and educational considerations, Cambridge University Press.10 Brown, J. S., & Duguid, P. (1994). Practice at the periphery: A reply to Steven Tripp, Educational Technology, October, 9-11.11 Bell, P., Davis, E. A. (1996). Designing an Activity in the Knowledge Integration Environment. /KIE/info/publications/AERA96/KIE_ Instruction.html12 Cognition & Technology group at Vanderbilt (1997). The Jasper Project: Lessons in Curriculum, Instruction, Assessment, and Professional Development. New Jersey: LEA.13 Dirkx, J. & Prenger, S. (1996). A living amoeba or a textbook topic? Conceptions of integrated, Theme-Based instruction in adult education. c.kent.-edu/nebraska/research/amoeba.html14 Duffy, T. M., Lowyck, J., & Jonassen, D. (1993). Designing environment for constructive learning. Heidelberg: Springer-Verlag.15 Gagne, R. M. (1974). Essentials of learning for instruction. Illinois: Dryden Press.16 Gagne, R. M. (1985). The Condition of learning and Theory of Instruction. 4th, Illinois: Dryden Press.17 Geban, O., Asker, P., & Ozkan, I. (1992). Effects of computer simulations and problem-solving approaches on high school students. Journal of Educational Research, 86, 5-10.18 Hayes, J. R. (1980). The complete problem solver. Philadelphia: Franklin Institute Press.19 Jonassen, D. H. (1996). Computer in classroom: Mindtools for critical thinking. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, Inc.20 Jonassen, D. H., Beissner, K., & Yacci, M. (1993). Structural knowledge: Techniques for representing, conveying, and acquiring structural knowledge. Hillsdale, NJ :Lawrence Erlbaum Associates.21 Kafai, Y. B. (1995). Mind in play: computer game design as a context for childrens learning, LEA.22 Koschmann, T., Kelson, A. C., Feltovich, P. J., & Barrows, H. S. (1996). Computer-Supported Problem-Based Learning: A Principled Approach to the Use of Computers in Collaborative Learning, in CSCL: Theory and Practice of an