臺灣化學教育

中學化學App教材與教學：以擴增實境和虛擬實境方式學習元素與有機分子結構

邱美虹¹ 周金城² 洪達民¹ 陳怡宏³ 許晉維¹

¹國立臺灣師範大學科學教育研究所

²國立台北教育大學 自然科學教育系

³臺北市立萬芳高中
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n   前言

科學學習歷程中，由於許多概念是抽象的、是複雜的，因此在教與學上常具挑戰性，尤其是在化學學科中，微觀粒子的知識建構與發展，常需仰賴學習者在二度空間的表徵和三度空間的物件之間進行轉化的視覺能力、或是透過輔助工具去認識兩者之間的關係。因而，學習者若是較缺乏三度空間的視覺化(visualization)能力或是無適當的輔助學習工具，在學習一些重要化學概念(如立體化學分子結構)時便容易遇到挫折而造成學習困難。反之，若擁有良好的空間能力或是能夠透過適當的教學的輔助工具，可以提升學生在二度空間的表徵和三度空間的物件之間交互轉化的能力與表現。

n   視覺化

許多研究指出，視覺化表徵和視覺化能力的良窳會影響學生學習須具備空間想像能力的複雜概念。譬如Nakhleh & Postek (2008)指出，外顯化的視覺與聽覺表徵可以幫助學生學習限量試劑的概念，這些表徵包括1. 即時的化學反應(巨觀的理解)、2.電腦模擬反應(微觀層次的理解)、3. 圖像的表徵(符號)、以及4.問題解決中，文字的表徵。又如Gilbert (2008)也指出化學學習牽涉到巨觀(macro)、次微觀(sub-micro)、符號(symbolic)以及它們之間的相互關係。根據Gilbert的觀點，模型可以是外在表徵(如他人肢體可觸及的)和內在表徵(如個人心智)，而將它們任一表徵意義化即稱為<視覺化>(visualization)。而在化學概念中，分子結構與性質，尤其是有機分子結構的複雜性常是學習較為困難的概念，因此發展合適的學習輔具可以減少學生的認知負荷。

n   擴增實境與虛擬實境

近年來，擴增實境(Augmented Reality, AR)與虛擬實境(Virtual Reality, VR)在商業上與遊戲上的產品如雨後春筍般的成長，但為教育所研發的產品，仍有待更多研發者的投入。根據相關文獻指出，擴增實境具有以下特質(1) 能使學習內容呈現3D透視圖、(2) 提供無所不在、合作和情境學習、(3)使學習者可以感受到存在感(presence)、即時性(immediacy)、沉浸感(immersion)、(4)可視覺化那些不可視的概念或事件、(5)在正式學習和非正式學習之間搭建橋樑。這些特質提供學生投入學習、情境學習、真實性學習的機會(Wu, et al., 2013)。而有關虛擬實境部分，在一份針對13篇以虛擬實境進行教學的期刊論文(參與人數總計3081人)所進行的後設分析研究報告中指出， 遊戲、模擬和虛擬世界三者對學習都有正面的影響，其中遊戲式的虛擬實境教學，對學生的學習成效高於模擬和虛擬世界。另一有趣的發現是單獨玩遊戲的學生表現優於小組同遊的學生(Merchant, et al., 2014)。      

本文主要是介紹兩個可以在化學教學上使用的App，一個是結合擴增實境與虛擬實境的有機分子結構的撲克牌，另外一個是具有AR功能的1A族和7A族的原子結構和其組合成的化合物卡牌。

n   有機分子結構App簡介

 

本研究開發的「有機分子擴增/虛擬實境」撲克牌是目前App市場上唯一款兼具學習與電玩樂趣的應用軟體，總共分為三套。關於App的說明與下載連結可在搭配的撲克牌中找到下載連結的QR code，或是直接在蘋果商城或安卓商城尋找Molecules 1 AR/VR, Molecules 2 AR/VR & Molecules 3 AR/VR，也可找到app進行下載。中國化學會網站亦有相關訊息 http://www.chemistry.org.tw/app_download.php。

關於「有機分子擴增/虛擬實境」撲克牌設計的方向，是以高中化學課程中有機化合物的內容為主，三套撲克牌是以官能基的不同來分類，第1套是烴類，第2套是醇、醚、醛、酮，第3套是酸、酯、胺、醯胺。每套撲克牌中的有機化合物的選擇皆是以同碳數的同分異構物為主，如碳數為4的烯類：1-丁烯、順-2-丁烯、反-2-丁烯、2-甲基丙烯 (如圖1所示)，以及相同官能基的同系物，如：甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸(如圖2所示)。

圖1同分異構物

圖2相同官能基的同系物

撲克牌主要傳達的概念除了是有機分子的立體結構外，亦包含同分異構物及同系物的概念，並希望藉此也能培養學生對化學式、符號、2D和3D結構之間的轉換有深入的認識。

有機分子擴增/虛擬實境」撲克牌App，導入了AR技術，輔助教師在課堂上以更有效的方式講解有機分子的3D立體結構與特徵(見圖3)，學生也可以透過觸控的方式或是電玩搖桿操弄分子的旋轉角度，清楚的觀察分子每一個部位的結構與特徵；此外，也導入了VR技術，讓學生在一個虛擬的電玩場景達成尋找有機分子結構的任務(見圖4)，藉此測試學生先前在課堂上對於分子結構學習的成效。此場景同時加入了一些電玩的元素，例如:有限時間的任務執行(見圖5)、遊戲中過程的獎懲機制(見圖6和圖7)，以及任務結束的成就評比(見圖8)。希望藉由一個寓教於樂的方式，讓學習有機分子結構不再是一件枯燥乏味的事情，而是可以結合遊戲與科學學習以及促進師生或學生之間彼此分享學習與交流的媒介。

本研究所開發的App有三種方式遊玩(見圖9)，不論以哪一種方式遊玩，都必須搭配特定的卡牌才能遊玩。每種玩法接包含兩種模組，一是透過軟體的AR模組，觀察每一有機分子的3D結構與特徵；二是當使用者對每一類型的分子有一定程度的認識時，透過任一張卡牌的AR模式畫面，選取畫面中的VR標籤，方可進入到電玩場景進行學習成效的測驗。

圖9 三種遊玩的方法選取

n   教學活動設計

關於撲克牌和App在課堂上的應用，大致上可分為三個方法。

一、直接觀察：請學生直接利用App掃描撲克牌，觀察行動載具上所呈現的立體分子和牌上的結構式有何不同，讓學生試著旋轉立體分子模型，使之呈現出和牌上所書寫的結構式相同的方位視角後，隨之螢幕截圖，傳到課堂教師所開設的雲端空間，最後利用投影機一同呈現所有學生的截圖來進行討論。藉此讓學生了解有機分子立體結構和一般所書寫的結構式之間的關聯性。在這過程中，教師也可以指定尋找特定卡牌(如尋找同分異構物或相同官能基的同系物)，並要求學生指出原子的相對空間位置。

二、學習單：教師可利用類似下表的設計進行教學活動 (見圖10a和圖10b)，填入化學式並對此化合物命名。學習單可在化學會此App的教材網址處下載使用 ( http://www.chemistry.org.tw/app_download.php#pagefive )。

授課教師可依照自己擬教授的有機化學的內容，重新編排學習單(見圖10a & 10b)。讓學生利用App掃描學習單，觀看立體結構並書寫出結構式。或者是直接在學習單中列出IUPAC命名及相關的編碼，如：戊烷、2-甲基丁烷、2,2-二甲基丙烷，然後請學生除了寫出結構式外，並分組討論IUPAC命名與結構式之間的關聯性。

圖10a 原學習單

圖10b 調整後學習單

三、桌遊：第一套撲克牌：烴類，可以進行撲克牌的桌遊，使用方式的連結網址：https://goo.gl/E13011。

 

n   週期表中1A 和7A族App簡介

 

除了上述的「有機分子擴增/虛擬實境」撲克牌之外，本研究團隊另外研發一套「AR_Element(1A,7A)」App，利用AR的技術介紹元素週期表1A與7A元素的結構與符號，學生們可以透過App與卡牌來觀察原子模型，並且可以嘗試將兩張卡牌組合成分子模型(如：拿H與Br的卡牌組合後，App螢幕即會顯示出HBr的分子模型)。教師可以依照課程所需讓學生選取元素卡牌組合成不同的分子模型，並觀察不同的分子模型的表示法(如：分子模型、路易士電子模型、球棍模型、凡德瓦半徑模型等)。此App是藉由新興科技來增加學生的學習動機以及提供學生認識物質的結構與表徵的方式，並且讓學生之間透過討論建立正確的物質結構概念。圖11至圖20說明如何取得App、卡牌以及App操作教學。

圖11：至Google Play搜尋AR_Element(1A,7A)	圖12：下載App後點開即可使用
圖13：APP打開後點選左下角下載卡牌	圖14：卡牌正面有1A,7A原子資訊
圖15：App操作介面說明	圖16：使用App掃描卡牌背面即可顯示原子的擴增實境模型
圖17：可以結合的兩張卡牌靠近後即會顯示 結合後的分子模型	圖18：切換至路易士模型
圖19：切換至球棍模型	圖20：切換至凡德瓦模型

 

n   結語

12年國民基礎教育對於核心概念與跨科概念甚為重視，在自然科學領域中，核心概念與跨科概念中「物質的組成與結構」是其中一項基本的核心概念，因應此改變，自然科學領域課程綱要首次將「粒子概念」納入國小階段的學習內容，而在高中階段大幅度地納入微觀、抽象思考與模型建構的能力培養。此時引介擴增實境與虛擬實境的輔助工具，除可藉此提升學生空間視覺能力的培養與連結2D與3D表徵的化學知識之外，也可促進學生對化學學習的樂趣，達寓教於樂的目的，相信這種學習方式在未來將有很大的發展空間。

n   致謝

承蒙科技部高瞻計畫經費補助本研究團隊研發擴增實境與虛擬實境之教學輔具以及中國化學會協助印製與推廣，使計畫得以順利完成，在此一併致謝。

n   參考文獻

陳怡宏 (2014): 擴增實境與3D實驗影片教學：有機分子模型擴增實境。台灣化學教育電子期刊，臺北，臺灣。http://chemed.chemistry.org.tw/?p=3240

Gilbert, J. K. (2008). Visualization: An Emergent Field of Practice and Enquiry in Science Education. In J. Gilbert, M. Reiner, & Nakhleh, M. (Eds.). Visualization: Theory and Practice in Science Education (pp.3-24). The Netherlands: Springer Publishers.

Nakhleh, M., & Postek, B. (2008). Learning chemistry using multiple external representations. In J. Gilbert, M. Reiner, & Nakhleh, M. (Eds.). Visualization: Theory and Practice in Science Education (pp.209-231). The Netherlands: Springer Publishers.

Merchant, Z., Goetz, E., Cifuentes, L., Keeney-Kennicutt, W., & Davis, T. J. (2014). Effectiveness of virtual reality-based instruction on students’ learning outcomes in K-12 and higher education: A meta-analysis. Computers & Education, 70, 29-40.

Wu, H. K., Lee, S. W. Y., Chang, H. Y., Liang, J. C. (2013). Current status, opportunities and challenges of augmented reality in education, Computers and Education, 62, 41-49