Transcript PPT2\第08 章-電腦化心智工具

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
1
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。
2
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
3
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。
4
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。
5
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)
6
心智工具-資料庫管理系統
Bin
Wine
Producer
Year
Bottle
Ready
2
Chardonnay
Buena Vista
83
1
85
3
Chardonnay
Louis Martini
81
2
84
4
Jo. Riesling
Sattu
82
1
83
12
Cab. Sauvignon
Robt. Mondavi
77
12
87
16
Pinot Noir
Mirassou
77
3
85

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。
7
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。
8
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。
9
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。
10
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。
11
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。
12
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
13
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(Selfregulated 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。
14
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。
15
專家系統心智工具
16
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。
17
專家系統的定義
領域專家
使用者
專家系統
操作介面
推理機制
知識庫
知識擷取
及
編輯工具
18
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
知識領域專家
知識工程師
19
知識建構的策略

凱利方格
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。
擷取元素
歸納分類的結果或可能的解答
配對屬性
元素的特性，及元素間的相似與差異
連結機制
用數值表現與屬性的關聯性
20
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
正向
屬性
棍棒 黃金 變葉 黃金 繁星 麵包
金絲 土肉 大鄧 黃金 黑板
楓香 福木
椰子 露花 木
榕
花
樹
竹
桂 伯花 葛
樹
反向
屬性
葉子小
5
1
3
1
1
5
1
2
2
2
1
1
3
葉子大
葉形細長
1
2
2
2
4
3
2
1
2
3
3
3
2
葉形扁圓
葉頭尖細
1
2
2
3
2
2
1
5
1
2
3
2
2
葉頭內凹
葉子邊緣
齊整
1
4
1
1
2
5
3
1
2
1
2
1
1
葉子邊緣
不齊整
莖上每節
生長葉子
少
1
2
1
1
2
1
1
2
1
2
2
1
4
莖上每節
生長葉子
多
觸感平滑
4
4
1
2
5
1
5
1
4
2
5
2
1
觸感粗糙
葉脈分支
少
1
2
2
3
2
3
5
2
1
5
5
2
3
葉脈分支
多
配對屬性
連結機制
配對屬性
21
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
棍棒椰子
黃金露花
黃金榕
22
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
棍棒椰子 黃金露花
黃金榕
葉子小
葉形細長
葉子大
葉形扁圓
觸感平滑
觸感粗糙
23
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
棍棒椰子 黃金露花
葉子小
5
1
葉形細長
1
2
觸感平滑
4
4
黃金榕
1
2
2
葉子大
葉形扁圓
觸感粗糙
24
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
棍棒椰子 黃金露花
葉子小
5
1
葉形細長
1
2
觸感平滑
4
4
變葉木
3
2
1
黃金榕
1
2
2
葉子大
葉形扁圓
觸感粗糙
25
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：
5. 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
26
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。
27
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。
28
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
關聯值仍不對
要求學生重新填入學習
目標的關聯值
系統比較學生與專家對
學習目標屬性
關聯值正確
步驟3.2
比較下一個關聯值
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
29
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。
30
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
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.
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
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
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
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
瀏覽及修改個人的凱利方格
教師對這個屬性的評分
選擇觀看某位同學的凱利方
格
33
概念構圖與電腦化心智工具
34
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)。
35
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)。
36
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)
37
概念構圖的定義-奧蘇貝爾理論
階層學習
統整調和
漸進分化
有意義的
學習
• 概念是具有階層性，學習的概念與日俱增時，會發現某些
新的概念可以包含舊有的概念，或可隸屬某個概念之下
• 當學生認知的概念越來越龐大時，必須主動修正原有的認
知結構，或重新詮釋新概念，以維持認知結構的和諧
• 概念會逐漸趨向精緻化與類別化，使認知結構的連結更有
意義
• 將新舊概念進行連結的過程中，會從中體驗出新概念的意
義，促使達成這項目標的學習方式(余民寧，1997)
38
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)。
39
概念構圖的定義
概念、節點
連結線、連接語
範例
40
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)。
41
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)。
42
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。
43
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。
44
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)
45
電腦化概念構圖工具的使用
工作區
多媒體元件
樣式設定
46
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/
47
電腦化概念構圖工具的安裝與
使用-CmapTools 安裝步驟
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
51
電腦化概念構圖工具的安裝與
使用-CmapTools 安裝步驟
52
電腦化概念構圖工具的安裝與
使用-CmapTools 安裝步驟
53
電腦化概念構圖工具的安裝與
使用-CmapTools 安裝步驟
54
電腦化概念構圖工具的安裝與
使用-CmapTools基本功能
55
電腦化概念構圖工具的安裝與
使用-CmapTools基本功能
56
電腦化概念構圖工具的安裝與
使用-CmapTools基本功能

方法一：直接在畫布上建立 Step1
57
電腦化概念構圖工具的安裝與
使用-CmapTools基本功能

方法一：直接在畫布上建立 Step2
58
電腦化概念構圖工具的安裝與
使用-CmapTools基本功能

方法一：直接在畫布上建立 Step3
59
電腦化概念構圖工具的安裝與
使用-CmapTools基本功能

方法一：直接在畫布上建立 Step4
60
電腦化概念構圖工具的安裝與
使用-CmapTools基本功能

方法二：使用命題的方式，直接輸入概念與連
結的關係 Step1
61
電腦化概念構圖工具的安裝與
使用-CmapTools基本功能

方法二：使用命題的方式，直接輸入概念與連
結的關係 Step2
62
電腦化概念構圖工具的安裝與
使用-CmapTools基本功能

方法二：使用命題的方式，直接輸入概念與連
結的關係 Step3
63
電腦化概念構圖工具的安裝與
使用-CmapTools 設定及進階

修改字型
64
電腦化概念構圖工具的安裝與
使用-CmapTools 設定及進階

拖移概念
65
電腦化概念構圖工具的安裝與
使用-CmapTools 設定及進階

加入圖片 Step1
66
電腦化概念構圖工具的安裝與
使用-CmapTools 設定及進階

加入圖片 Step2
67
電腦化概念構圖工具的安裝與
使用-CmapTools 設定及進階

加入圖片 Step3
68
電腦化概念構圖工具的安裝與
使用-CmapTools 設定及進階

加入圖片 Step4
按右鍵
69
電腦化概念構圖工具的安裝與
使用-CmapTools 設定及進階

加入圖片 Step5
70
電腦化概念構圖工具的安裝與
使用-CmapTools 設定及進階

加入圖片 完成
71
電腦化概念構圖工具的安裝與
使用-CmapTools 設定及進階

加入其他媒體資源
72
電腦化概念構圖工具的安裝與
使用-CmapTools 設定及進階

儲存概念構圖
73
電腦化概念構圖工具的安裝與
使用-網路版CmapServer使用

Step1
新增連線
74
電腦化概念構圖工具的安裝與
使用-網路版CmapServer使用

Step2
75
習題(1/2)
1. 運用凱利方格設計一個學習活動，包括科目、
對象、活動內容、評量的標準及方式，並說
明活動的目的。
本題可以考慮作為個人作業或小組專題；資
訊相關科系可以要求學生開發凱利方格的系
統（單機或線上版本），以配合活動進行的
需要。
76
習題(2/2)
2. 運用概念構圖設計一個學習活動，包括科目、
對象、活動內容、評量的標準及方式，並說
明活動的目的。
本題可以考慮作為個人作業或小組專題；資
訊相關科系可以要求學生開發使用網路版
CmapServer系統。
3. 列舉三種不同的電腦心智工具，其探討與比
較其使用目的，以及適合的科目或學習內容。
77
本章結束
78