PPT2\第08 章-電腦化心智工具

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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

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