第 8 章 電腦化心智工具

1. 第8章電腦化心智工具 數位學習理論與實務 黃國禎、蘇俊銘、陳年興

2. 電腦化心智工具 • 有效果的學習並不是因為科技本身帶來的益處，而是應用科技的觀念！ • 一個好的電腦化學習系統，除了用來展現教材之外，更可以做為幫助學生建構知識的工具。

3. 電腦化心智工具的定義 • Jonassen(1996)強調科技應做為知識建構的工具，而非只是經由數位化的電腦輔助課程內容來學習。 • 運用科技輔助學習，將電腦作為探索、發現和建構知識的心智工具(mindtools)或認知工具(cognitive tools)。 Learn with technology Learn from technology

4. 心智工具的定義 • 心智工具是學生的智能夥伴(Intellectual partner) • 學生利用心智工具來獲得知識、組織知識和建構個人的知識體系(Jonassen, 1996)。 • 心智工具是一種概念，可培養學生高層次的批判思考、創造思考與問題解決的能力，亦可促進學後保留與學習遷移。

5. 心智工具的定義 • 一個好的心智工具必須促使學生得以主動、建構與有意圖的學習。 • 在使用心智工具時，學生必須從事複雜的思考技能，來解決問題或表徵其知識。 • 使用心智工具所產出的作品良好與否，則繫乎使者在該領域的智能及投注心力而定。

6. 心智工具的種類 • Jonassen(1996)列舉出幾種可能的心智工具： • 資料庫管理系統(Database management systems) • 試算表(Spreadsheets) • 視覺化工具(Visualization tools) • 微世界(Micro worlds or simulation software) • 語意網路(Semantic Networks) • 專家系統(Expert Systems)

7. 心智工具-資料庫管理系統 • 資料庫管理系統是一種電腦化的紀錄保持系統，有組織性的電子檔案管理系統，能讓使用者快速的搜尋、儲存、取用與修正。

8. 心智工具-資料庫管理系統 • 學生透過資料庫進行查詢、比較、排序或計算等過程可得到正確的資訊，進而解決問題。 • 使用「案例推理」(case-based reasoning)方式，蒐集資料、解決方法與程序，可組織成案例導向的資料庫，作為遇到問題的參考。 • 在自行規劃資料庫的過程中，必須思考資料之間究竟有何關係，可促使學生進行資料之間關係的釐清與組織，對於學生的高層次思考有很大的幫助。

9. 心智工具-試算表 • 試算表是一種電腦化數值計算工具。除了基本的呈現資料及運算，具備了定義公式，來聯結數值關係的重要功能。

10. 心智工具-試算表 • 當教學的目標不只是學會計算，而是更高層次的分析及理解數值變化的關係。 • 在學習活動中，學生的心力並沒有用在運算上，而是專注在發現數值間的關係。 • 這樣的活動，對於培養學生高層次思考與理解有很大的幫助。

11. 心智工具-視覺化工具 • 視覺化工具可表現或傳達學生對學習內容的理解狀況或想法，並用以解釋其所理解的資訊，進而能促進主動性與建構性之學習。 • 視覺化工具，可協助學生觀測氣象型態，有助於學生表徵及思考複雜的變項之間的關係。

12. 心智工具-微世界 • 微世界可激發學生創造思考的擬真學習環境。此環境允許學生探索、發現、驗証，進而培養邏輯思考、批判思考與問題解決等高層次的思考能力。

13. 心智工具-微世界 • 微世界學習環境的特色(Jonassen, 1996)： • 容易學習與操作 • 促使學生主動參與探究 • 由學生提出與定義問題 • 與學生高度互動 • 提供觀察與操作的工具以探索和驗證假設 • 提供探索式與發現式的學習活動 • 協助學生將先備知識與經驗與新知識相連結 • 激勵學生主動積極學習與從做中學

14. 心智工具-微世界 • 良好的微世界學習活動，不僅能夠藉由整合知識、技能與情意目標的學習活動培養問題解決能力，並能夠支持自我調整學習(Self-regulated learning)，達成個人所設定的目標。 • 例如：利用微世界學習環境探討車輛撞擊、自由落體等現象，讓學生藉由操作幾何物件的過程，來觀察與探索幾何物件之間的關係。

15. 心智工具-語意網路 • 語意網路是以電腦軟體為工具，由節點(概念或想法)與連結語(關係的陳述)所組合而成。 • 概念構圖就是語意網路的一種，協助學生組織概念，並將組織過的知織架構與細節傳達他人。亦可做為評量工具，幫助教師瞭解學生對整體概念之間的關係的瞭解情形。

16. 專家系統心智工具

17. 專家系統的定義 • 專家系統是運用專家知識來進行推理的智慧型系統，通常針對特定領域的事件做判斷、解釋與處理，以提供問題的解答或作為決策的依據。 • 一個完整的專家系統包含知識庫、推論機制及使用者介面。 • 為了有效獲得及整理專家的知識，在建立專家系統的過程中，也需要知識擷取及編輯工具。

18. 專家系統的定義 領域專家 使用者 專 家 系 統 操作介面 知識擷取 及 編輯工具 知識庫 推理機制

19. 專家系統的定義 • 「知識擷取」的過程被視為開發專家系統中，最關鍵且困難的步驟，因為知識的品質（正確性與完整性），將決定專家系統的品質。 我懂這些知識，但我不懂知識電腦化的過程 我懂怎麼電腦化知識，但我不懂這些知識 知識擷取 知識工程師與領域專家訪談的過程 知識工程師 知識領域專家

20. 知識建構的策略 • G. A. Kelly (1955)提出凱利方格(Repertory Grid)技術，認為對於經驗領域的相關事物，創造個人獨到的見解，這些見解將成為個人的知識概念，並以此為依據對未來事物作出判斷。

21. Chu, H. C., Hwang, G. J., & Tsai, C. C. (2010). A knowledge engineering approach to developing mindtools for context-aware ubiquitous learning. Computers & Education, 54(1), 289-297. 知識建構的策略 • 擷取元素 配對屬性 • 連結機制 配對屬性

22. 凱利方格知識擷取的五個步驟 步驟一：擷取元素(Elements)，透過與領域專家的訪談、對話，引導出所有元素

23. 凱利方格知識擷取的五個步驟 步驟二：擷取配對屬性組(Constructs)，由專家擷取出配對屬性組(正向屬性及其反向屬性)，每次皆選擇三個元素，並區別出其中兩個元素與另一個元素的差別

24. 凱利方格知識擷取的五個步驟 步驟三：填入關係值，於凱利方格表中填入屬性的等級，針對每個屬性，填入每個元素關係值

25. 凱利方格知識擷取的五個步驟 步驟四：修改或擴充表格，針對獲得的知識內容作推論，檢驗凱利方格內容的完整性

26. 凱利方格知識擷取的五個步驟 • 凱利方格擷取知識的過程包括五個步驟： • 產生推論規則：當完整的凱利方格建構完成後，則可以產生出推論規則。 葉子 大 葉形 細長 觸感 粗造 棍棒 椰子 葉子 小 葉形 細長 觸感 粗造 黃金 露花

27. 基於知識建構策略的電腦化心智工具 • 過去數十年間，凱利方格在教育領域被運用在各種不同學科上： • Irene (1998)利用凱利方格讓學生認識常見八種蔬菜概念構念、感覺特性、使用情況與烹調需要進行歸納分類。 • 惠子安(2002)提出以凱利方格技術為基礎的網路互評環境的教學網站，經由互評的活動，導引出學生的構念，並提供老師探究學生學習認知以及作為同儕間互評的回饋。

28. 基於知識建構策略的電腦化心智工具 • 1998年，林陳涌等學者認為，在使用凱利方格時，教師應該要注意學生的個人知識建構，並鼓勵學生了解並提供進行反思的機會。 • Chu, Hwang與Tsai (2010) 研究中，以凱利方格作為學習單，在校園中觀察植物，並將所觀察的結果呈現在凱利方格中。 • 該研究中，教師事先提供完成的凱利方格，即植物的名稱及屬性已經事先決定。

29. 基於知識建構策略的電腦化心智工具 • 知識建構策略之情境感知無所不在學習 步驟1 進入學習活動 引導學生至學習目標 關聯值不對 步驟2 步驟3.1 要求學生填寫學習目標的每一個特色的關聯值 引導學生到他原本描述的學習目標去比較 步驟3 系統比較學生與專家對學習目標屬性 要求學生重新填入學習目標的關聯值 關聯值仍不對 關聯值正確 比較下一個關聯值 步驟3.2 引導學生分辨學習目標次要的特徵 系統比較專家與學生重新填入的關聯值 關聯值正確

30. 基於知識建構策略的電腦化心智工具 • 有學者認為，教師事先提供凱利方格，會限制學生觀察及分類植物所使用的屬性。 • 從科學探究的角度來看，確實可以考慮提供一定程度的彈性，讓學生自己去發現用什麼屬性來分類會比較好。

31. 基於知識建構策略的電腦化心智工具 • 知識建構共享策略之情境感知無所不在學習 現在你已經到達荷氏黃蝶的位置，請在這個範圍裏面觀察牠 提示：可以觀察牠斑紋分佈、斑紋顏色、斑紋大小、主體顏色、前後翅形狀等等 Hwang, G. J., Chu, H. C., Lin, Y. S., & Tsai, C. C. (2011). A knowledge acquisition approach to developing mindtools for organizing and sharing differentiating knowledge in a ubiquitous learning environment. Computers & Education, 57,1368-1377.

32. 基於知識建構策略的電腦化心智工具 • 知識建構共享策略之情境感知無所不在學習 請填入根據你對紅紋鳳蝶觀察出來的特色結果 根據以下需要觀察的特色並輸入結果：後翅尾突、斑紋分佈、蝴蝶腳樹等 學生輸入特色屬性

33. 基於知識建構策略的電腦化心智工具 • 知識建構共享策略之情境感知無所不在學習

34. 概念構圖與電腦化心智工具

35. 概念構圖的定義 • 建構主義認為知識的獲得是由學生主動創造建構而成的，將傳統實證主義主張的被動接受者轉成主動積極的知識建構者(林生傳，1998)。 • 在學習過程中，因為每個人先備知識的不同，即使提供相同的訊息給一群學生，每位學生接收的狀況也不盡相同，會將其接收的資料做個人化的解讀，進行組合、忽略和轉換部分訊息的意義(余民寧，1997)。

36. 概念構圖的定義 • 概念構圖(concept mapping) 可用來表徵概念的知識結構，瞭解個人的概念結構，以協助改善教師的教學及學生的學習(Novak & Gowin, 1984; Novak & Musonds, 1991)。 • 概念構圖能有效促進有意義的學習，並且在學生學習的過程中對質性與量化研究產生正面的影響(Horton et al., 1993; Trent, Pernell, Mungai, & Chimedza, 1998)。

37. 概念構圖的定義 • 有意義的學習有別於機械式的學習行為。 • 在機械式學習中，透過反覆背誦將知識碎片強行併入認知結構中，因此知識都是孤立分散的。 • 在學生要達到有意義的學習前，必須進行新舊概念的組織活動，此活動可分為四種。 • 階層學習(super ordinate learning) • 統整調和(integration reconciliation) • 漸進分化(progressive differentiation) • 有意義學習(meaningful learning)

38. 概念構圖的定義-奧蘇貝爾理論

39. 概念構圖的定義 • Novak和Gowin(1984)根據奧蘇貝爾的理論，研究出一套有意義學習的工具，透過視覺化的方式來表達認知結構中的「概念」與「關係」，並且將這樣的學習工具稱為「概念構圖(concept map)」。 • 將學生建構概念圖(concept maps)的過程，稱為概念構圖(concept mapping)。

40. 概念構圖的定義 概念、節點 連結線、連接語 範例

41. 概念構圖的定義 • 概念構圖建立有二種，一是學生建立，另一種是專家建立概念構圖。主張知識由個人主動建構而成，而非被動的吸收。 • 在學生畫概念構圖的過程中，幫助學生確認重要概念，認清概念之間的關係與組織結構(Boyle & Weishaar, 1997; McCagg &Dansereau, 1991)。 • 專家的概念構圖可給予學生鷹架(scaffolding) ，幫助學生達成近側發展區的學習(Novak & Cañas, 2006)。

42. 概念構圖的定義 • 概念構圖可促使學生反省、組織和重整自己的知識結構，因此常被用來支援各種教學(Roth & Roychoudhury, 1994)。 • 此外概念構圖也融合了知識表徵、建構學習和有意義的學習，因此已經被廣泛應用在教育上，並且獲得不錯的成效(Chang, Sung, Chang & Lin, 2005)。

43. 電腦化概念構圖 • 概念構圖是視覺化的認知工具 (Anderson-Inman & Ditson, 1999; Fischer, Bruhn, Grasel, & Mandl, 2002)，也是有效的協同學習工具，透過分享促進有意義的學習(Novak & Gowin, 1984; Okebukola & Jegede, 1988; Roth & Roychoudhury, 1994)。 • Kwon和Cifuentes(2009)指出，學生進行協同學習概念構圖將比個人能進行更深入的思考。 • Kao、Lin 和Sun(2008a, 2008b)利用概念構圖進行同儕互評，可根據同儕的概念圖進行反思活動，或是整合彼此的概念圖。

44. 電腦化概念構圖 • 概念構圖也常被用來設計有利於學習的教材或系統。 • Hughes 和Hay(2001)透過概念構圖幫助教材設計者，設計出更好的教材提供學生學習。 • Hwang(2003)利用概念構圖將授課內容畫成概念影響關係圖(Conceptual map)，以國小數學概念為例，若是學生沒有學會母概念，則會影響子概念的學習，藉由關係圖的輔助，找出學生學習時的根本問題，從問題的源頭來改善學習成效。

45. 電腦化概念構圖工具的使用 • 許多研究者開發以電腦為基礎的概念構圖工具(computer-assisted concept map)來輔助學生學習，並證實電腦科技的介入優於傳統概念構圖的繪製方式(Anderson-Inman & Ditson, 1999; Royer & Royer, 2004) • Novak & Cañas 在2006年開發了概念構圖工具，CmapTools電腦化概念構圖工具。針對不同年齡層的學生提出詳細的教學步驟，且證實可以應用在國小教育上(謝富榮，2006)

46. 電腦化概念構圖工具的使用 工作區 多媒體元件 樣式設定

47. 電腦化概念構圖工具的安裝與使用-CmapTools 安裝步驟 http://cmap.ihmc.us/download/

48. 電腦化概念構圖工具的安裝與使用-CmapTools 安裝步驟

49. 電腦化概念構圖工具的安裝與使用-CmapTools 安裝步驟

50. 電腦化概念構圖工具的安裝與使用-CmapTools 安裝步驟