電子模組教具開發及對於國中理化

學習成效影響之研究

吳泰煌𝟏、許勝源

𝟐

1.建國科技大學服務與科技管理研究所研究生

2 建國科技大學服務與工業管理系主任

建國科技大學服務與科技管理研究所

摘要

本研究目的在將電子模組教具融入國中三年級「運動定律」、「作用力與反作

用力」、「力的轉動效應」三個教學單元上，探討在不同的教學方式下，學生是否

會有不同的學習成效與學習滿意度，期能有效提升學習成效。

首先彙整多位資深國中理化教師的意見，進行電子模組教具的開發，並應用

在教學上。本研究採準實驗研究設計，實驗對象為彰化市國三同班學生共 27位，

進行電子模組教具的實驗教學，採前、後測成績及滿意度問卷及課堂觀察的方式

分析學生的學習成效與學習滿意度的相關性。

有效樣本為二十五份，資料透過描述性分析、迴歸及分布圖等統計方式整理

結果如下:

一、 將電子模組教具融入國三理化「力與運動」之三個單元上，其整體滿意度

及學習成效皆有正陎趨向。

二、 教具設計有顯著影響學習成效，但前後測成績並無明顯差異。

三、 學生對於將電子模組教具融入理化課程中，抱持著新奇、有趣的正向態度。

在本研究的教學實驗實施過程中，觀察到學生雖然對電子模組教具感到陌生，

卻能提升學生對於課堂內容的專注力，並能促進老師與學生們之間的互動關係，

期許此項研究結果，能做為理化教學的老師們在課程設計上的一項參考數據，期

待未來學生能在多元環境中有趣的學習，提高學習滿意度並達到事半功倍的學習

成效。

關鍵字 : 電子模組教具、教學成效、教學滿意度、理化

Abstrict

Purpose of this study aids in the electronic module into the country in the third

grade, "laws of motion", "action and reaction" and "rotational force effect". It is

penetrate into teaching students for different way. If there will be different learning

performance and learning satisfaction of effectively enhance learning.

At first, the opinion of a number of junior-high school physics and chemical

teachers with experienced. The study developed an Instructional program that is

arduino electronic modular. This study used quasi-experimental research, study with

27 junior-high school students of third grade, in Changhua County. Go on

arduino electronic modular teaching aids in teaching. It used control experiment,

satisfaction questionnaire and observation at classroom in this study with comparative

analysis of learner satisfaction and learning outcomes.

Effective sample size has 25 Copies, the data through descriptive analysis, linear

regression analysis and distribution diagram. According to the statistics:

1. Arduino electronic modular teaching aids apply to “Forces and Motion” , Three

units of this chapter. It was promoted satisfaction and learning outcomes.

2. Aids designed have great influence on learning outcomes. There was no

significant difference in grades.

3. Students are very curious for the arduino electronic modular teaching aids in

classroom, they have novel and interesting positive attitude.

In the process of teaching experiment, students have a sense of strangeness about

arduino electronic modular teaching aids, but its can promote students attention. And

can advance between teacher and students, I wish this proposal is a reference data in

course. Students have diversified environment to learning. It can promote satisfaction

of learning and effect.

Keywords: Arduino, Learning effectinveness, Teaching Satisfacttino, physics

and Chemistry

第一章 緒論

依據國民中學十二年國民基本教育課程綱要所主張的願景，每一位孩子都

是不一樣的獨特個體，各自擁有多元智慧與性向；且在知識快速變遷的時代，需

要了解自己並且檢討自己的學習方式。在國中階段，除了各領域學習及多元探索

外，並維持現行彈性學習課程的設計，讓孩子可以有更多專題性、探究性及實作

性等活化學習的機會，並透過社團學習的機會，以發展自主學習能力，獲得多元

適性的學習機會(十二年國民基本教育，http://12basic.edu.tw/index.php)。

本研究運用電子模組教具以及其周邊零件來設計教材，利用課後輔導的活

動時間，期許透過自編教材的輔助教學，增加邏輯思考練習，依選定的章節以循

序漸進的方式學習教材進度，讓學生親自動手嘗試，加深教學單元所想表達的概

念，在學習的過程中可以增進師生互動與個人思考問題並解決問題的能力，並透

過互助合作的方式培養表達、溝通與分享的知能。期許電子教具的導入能從中提

升學習意願強化學習成效與動腦的機會，促進學生在理化領域的學習成就。

第二章 文獻探討

第一節 電子模組教具

電子模組教具的製作原型，是以 Arduino 及周邊相關感測器及與零件做為設

計的，在不同的環境及使用情況下，能夠因應不同的需求來更換感測器，因選項

種類較多，故此也是研究者作為設計的考量，透過與專家訪談後的結果，加以創

新、反覆證實與修正，測試是否與選定單元的課程內容所要敘述的現象相符，才

導入實際教學中。

一、Arduino :

Arduino 是由義大利科技學院的老師 Massimo Banzi 與西班牙籍晶片工程

師 David Cuartielles 所設計的開放原始碼的單晶片微控制器(如圖一)，可以幫助

不懂電腦編程的學生們，也能用 Arduino 設計電路與控制感測元件，Arduino 採

用了基於開放原始碼的軟硬體平台，建構於簡易輸出/輸入（simple I/O）介面板，

使用類似 Java、C 語言的 Processing/Wiring 開發環境，結合電子感測元件，例如

開關或感測器或其他控制器件、LED、超音波距離感測器或其他輸出裝置，形成

自動控制或測量的系統。

Arduino 控制板 (圖一)

二、感測器介紹 :

在設計電子模組教具中，為因應課程內容所需呈述的現象，與各個專家反覆

討論之後的結果，其導入在教具內的感測器有超音波感測器、壓力感測器以及伺

服馬達，其介紹如表 2-1

感測器介紹表 2-1

超音波感測器

超音波感測器（PING）是由超音波發

射器、接收器和控制電路所組成。當它

被觸發的時候，會發射一連串 40 kHz

的聲波並且從離它最近的物體接收回

音。它可以探測的距離為 2cm-400cm，

精度為 0.3 cm，感應角度為 15 度。

壓力感測器

壓力感測器(FSR)是一個可以根據受力

大小產生不同電阻變化的原件，隨著感

受到了力量越大，電阻會逐漸變小；力

量和電導(conductance=1/r) 成正比，所

以我們可以經由感應到的電阻值回推

受力大小。此元件可以感應的力量範圍

100g~10kg，誤差為 ± 5。

伺服馬達

伺服馬達（servo motor）裡含有直流馬

達、齒輪箱、軸柄、以及控制電路，我

們可透過訊號控制軸柄的停止角度，大

概都是 0 到 180 度，經由齒輪箱降速

後，變成適當可用的轉速，並且提供更

高的轉矩（扭轉力）。

第二節 國中理化課程教學現況

普遍國中理化課程依教育部於民國九十七年公布的國民中小學九年一貫課

程綱要規定，教科書教學單元分為六冊，供國民中學一至三年級使用(國民教育

社群網，http://teach.eje.edu.tw/index.php)，本研究將以國中三年級上、下學期的

理化課本定為研究單元。

隨著教學環境的變遷以及各個縣市所實施的教學政策不同，教科書出版方式

已從古往一綱一本的方式轉變成一綱多本的形式展現，同樣教學單元，為因應不

同的合作學區，所搭配的出版商也就有所不同，這也是如今教課書出版社會有這

麼多元選擇的原因之一，研究者挑選兩家各地校區較為廣乏使用的出版商，作為

現況教學所搭配的輔助教具作為比較，如表 2-2

課程介紹表 2-2

康軒 翰林

第一章 直線運動 第一章 直線運動

單元 動畫 單元 動畫

1-1 時間的測量 V 1-1 時間、路徑長與位移

1-2 位移與路徑長 1-2 速率與速度

1-3 速率與速度 1-3 等速度與加速度運動 V

1-4 加速度與等加速度運動 V 1-4 等加速度運動 - 斜面與落

體運動

第二章 力與運動 第二章 力與運動

單元 動畫 單元 動畫

2-1 牛頓第一運動定律 V 2-1 慣性運動

2-2 牛頓第二運動定律 2-2 運動定律

2-3 牛頓第三運動定律 V 2-3 作用力與反作用力定律

2-4 圓周運動與萬有引力 V 2-4 圓周運動與萬有引力

第三章 功與能 2-5 力的轉動效應 V

單元 動畫 第三章 能量 - 由功到熱

3-1 功與功率 單元 動畫

3-2 動能與位能與能量守恆 V 3-1 功與功率

3-3 槓桿原理與靜力平衡 3-2 功與動能

3-4 簡單機械 V 3-3 位能與力學能守恆定律

3-5 能源 V 3-4 能量守恆定律 V

第四章 基本靜電現象與電路 3-5 簡單機械

單元 動畫 第四章 基本靜電現象與電路

單元 動畫

4-1 靜電現象 V 4-1 靜電

4-2 電流 V 4-2 電流

4-3 電壓 4-3 電壓

4-4 電阻與歐姆定律 4-4 歐姆定律與電阻 V

4-5 電路元件的串聯與並聯 V

第三節 電子模組較具教學相關研究

現在市面上有許多智慧型裝置應用於啟發、教學、競賽及發明上，普遍常

見的就有樂高(Lego NET)、智高(Gigo)、樹莓派(Raspberry Pi)以及本研究所採用的

Aruduino(UNO)，因單價不斐，所以這些裝置大多在高中職及大專院校上比較常

見，多半使用在專題製作以及程式設計的教學上。

科學競賽都是具有多樣性、富有創造力、趣味性與教育意義的比賽，透過此

類活動來提升學生對於科學學習的學習興趣(林堂麗，2003)，然而近年來由於教

育改革強調多元入學方式，希望學校在審核學生入學條件時，採認學生的個別學

習成就，故此科學展覽的成績往往被用以專長加分項目(邱月良，2003)，如此也

失去了原有的科技態度及其價值觀。

儘管 Arduino 取得方式容易，網路、電子百貨皆可取購，可惜尚未深入應用

於在國、中小學的課程上，研究者將可能的原因分析成以下幾種情況:

一、 實驗教學的時間受限

由於現今的教育風潮普遍為成績取向，因上課週期也有所狹限，故此許多

老師多以平面教學為主，導致長期下來學生僅能被迫接受處在升學至上刻板受教

的教學環境下學習。

二、 實驗教學的環境受限

導入智慧型裝置做教學，除了耗時，更重要的是需要空間展現，雖然各個

學區多半設有實驗教室提供學生做為實驗課程所用，但使用前的借閱程序繁複，

使用結束還需要做環境整潔及實驗教具的維護，教師們為省略不必要的作業麻煩，

故此多半皆已原班教室上課為準。

三、 實驗教學的課程設計及操作

縱然教師有心嘗試其他教學方式，期望能讓課程更多元化，促進師生互動，

提升學生學習興趣，不過教具設計的過程不易，除了自身的專業基礎，還要考量

學習者的理解程度，且需符合章節內容所想呈述的科學現象，導致教師的嘗試意

願下降。

故此研究者期許透過此研究，能夠設計符合課程現象、容易操作，不占空間

且能夠教學並用的輔助教具，期望能將此風潮引進國中、小學區，作為教師們在

課程設計上能有新興的參考價值，也能讓學生們有個不一樣的學習方式。

第三章 研究方法

第一節 研究架構

本研究為探討「導入電子模組教具」在教學上是否影響學習成效，在確認

教學單元之後，利用 Arduino 主機板及其周邊感測器作為主要設計，再加以修正

自編成教學教材，並由研究者透過參閱各篇相關研究及文獻，加以改良及編修，

設計前、後測以及「學習滿意度調查表」，經由適當的調整過後，才實際導入在

理化教學上，後以分析量化數據，驗證行校是否符合預期。架構圖(圖二)如下 :

接受教具輔助教學

學習成效

教學滿意度

H1

H2

H3

本研究之架構圖(圖二)

本研究之假設如下:

H1 : 接受電子模組教具作為輔助教學，會正向影響學習成效。

H2 : 接受電子模組教具作為輔助教學，會正向影響教學滿意度。

H3 : 教學滿意度會正向影響學習成效。

第二節 研究工具

一、 輔助教具

(一) 運動定律

物體所受外力的合力如果不為零，則必沿合力的方向產生一個加速度。而加

速度大小和外力的大小成正比，和物體的質量成反比此為運動定律，又稱牛頓第

二運動定律。研究者將此單元欲教重點細分為「受力越大，加速度越大」與「質

量越大，加速度越小」兩項重點，並將作為輔助教具的設計要點，設計成品如圖

三所示 。

運動定律教具(圖三)

(二) 作用力與反作用力

每施一力，必產生一反作用力，此二力的大小相等、方向相反，且同時發生、

同時消失，此為作用力與反作用力，又稱牛頓第第三運動定律。研究者將此單元

欲教重點細分為「施力與受力大小相同」、

「方向方反」、「作用在同一直線上」與「施力與受力同時發生，同時結束」等四

項重點，並將作為輔助教具的設計要點，設計成品如圖四所示 。

作用力與反作用力教具(圖四)

(三) 力的轉動效應

作用力可以改變物體的運動速率及方向，使其作圓周運動，施力的大小、施

力點和方向都會影響物體轉動的效果，此項原理稱為力的轉動效應，研究者欲將

呈現的重點現象為 「當施力固定時，立臂越長，力矩就越大」，並將單一重點作

為輔助教具的設計要點，設計成品如圖五所示 。

力的轉動效應教具(圖五)

二、 「力與運動」章節前、後測試卷測驗

前、後測試卷測驗內容主要係以翰林版一百○四學年度第五冊理化教科書中

與「力與運動」相關的單元為主，前、後測驗試卷題型一致，不過作答方式以及

題目順序不同，後測試卷增設了「答案根據」的機制(如圖 XXX)，目的為判斷學

生在接受電子模組教具輔助教學之後，是否對單元內容的認知有所改變，試題皆

與實驗內容現象相關，並經過相關專家建議後修正之後完成。

三、 使用科技電子模組教具對於理化學習之成效影響之研究滿意度

問卷

研究者在參考(鄒玉鈿，2012)「探究式創意實驗教學滿意度調查問卷」後，

所改編成「使用科技電子模組教具對於理化學習之成效影響之研究滿意度問卷」

作為評鑑實驗成效之工具，以了解學生在接觸不同的教學方式之後接受度及相對

滿意度為何。問題設計之構面共分為四個層面，分別為(一)教學滿意度、(二)教

學成效、(三)教具設計、(四)整體滿意度，而題目採 Likert 五點量表做分級，共分

為「非常同意」、「同意」、「尚可」、「不同意」、「非常不同意」等五個量級，評分

方式為正向題依序給予 1 ~ 5分，反向題則採取反向計算的方式依序給予 5 ~ 1分，

分數越高則表示滿意度越高。

第三節 實驗設計

一、 對象

受測對象為彰化市信義國中某班三年級學生，男女人數共 27 人，皆已在 104

年第一學期中接受「力與運動」章節的相關教學，而教學模式為一般傳統教學，

採口述說明課程內容的方式。

二、 實測地點與時間

實際導入電子模組教具的施教位置在受測者們的原班教室上，而施教日期為

一〇四年三月，時間為其中兩天的輔導課，上課時數約三個鐘頭。

三、 施教順序

在導入電子模組教具暨選定單元做輔助教學之前，先以前測試卷作為首要，

方能了解學生對於測驗單元的認知與程度，再來導入電子模組教具應用在選定單

元上，採複習制的方式，施教老師先以口頭複習一遍再利用教具展示現象，教學

過後再以後測試卷驗證一次，作為教學過後與後測成績的差異比對，最後發放滿

意度問卷，分析學生對於電子模組教具導入在教學上之接受度為何。

第四節 研究時程

研究過程將分為準備階段、實施階段與整理階段三個階段，並將程序整理

如圖六所示 :

蒐集與電子模組教具相關研究的資料與文獻

整理國內理化的教學概況

準備階段

研究設計

專家審核及修正

選定適合的教學單元及研究方法

實施階段

教具

問卷

試卷

修正教具設計試卷、問卷內容

實施「力與運動」章節前測試卷測驗

導入「電子模組教具」於選定單元課程中

實施「力與運動」章節後測試卷測驗

填寫「科技電子模組教具對於理化學習之成效影響之研究滿意度問卷」

實施階段

資料分析與解釋

研究結果討論與歸納

撰寫論文

描述統計

分布圖

線性分析

實教

觀察

錄影

研究時程圖(圖六)

第五章 研究結果與討論

第一節 「使用科技電子模組教具對於理化學習之成效影響之研究滿

意度問卷」結果分析

本研究採 Likert 五點量表做分級，共分為「非常同意」、「同意」、「尚可」、

「不同意」、「非常不同意」等五個量級，評分方式為正向題依序給予 1 ~ 5 分，

反向題則採取反向計算的方式依序給予 5 ~ 1 分，分數越高則表示滿意度越高，

為確切瞭解學生對於較具設計與課程內容的相容性之滿意度，問卷設計共分成

(教師教學滿意度)、(教學成效滿意度)、(教具設計滿意度)、(整體學習滿意度)四

項構面作為分析學生對於各種因素的接受程度之探討，如構面統計表 5-1。

構面統計表 5-1

題數 項目 帄均數

教學滿意度

1 老師使用科技電子模組教具教學時，教學態度認真 4.56

2 老師使用科技電子模組教具教學時，內容講解清晰易懂 4.44

3 老師使用科技電子模組教具教學時，讓我更了解課本所想敘述的現象 4.48

4 老師使用科技電子模組教具教學時，讓我覺得上課更有趣 4.48

5 老師使用科技電子模組教具之教學方式並不適合我 4.08

學習成效滿意度

6 我覺得使用科技電子模組教具教學後，讓我對「運動定律」的「受力大小

與加速度成正比」之現象更加清楚了 4.32

7 我覺得使用科技電子模組教具教學後，讓我對「運動定律」中「質量大小

與加速度成反比」之現象更加清楚了 4.32

8 我覺得使用科技電子模組教具教學後，讓我對「作用力與反作用力」中「兩

作用力大小相同」之現象更加清楚了 4.28

9 我覺得使用科技電子模組教具教學後，讓我對「作用力與反作用力」中「兩

作用力分別作用在兩個不同的物體上」之現象更加清楚了 4.24

10 我覺得使用科技電子模組教具教學後，讓我對「作用力與反作用力」中「兩

作用力同時發生、同時結束」之現象更加清楚了 4.44

11 我覺得使用科技電子模組教具教學後，讓我對「力的轉動效應」中「施力

固定時，力臂越長，轉動效果越大」之現象更加清楚了 4.28

12 我覺得使用科技電子模組教具教學後，讓我對學習「運動定律」之單元更

有興趣了 4.16

13 我覺得使用科技電子模組教具教學後，讓我對學習「作用力與反作用力」

之單元更有興趣了 4.28

14 我覺得使用科技電子模組教具教學後，讓我對學習「力的轉動效應」之單

元更有興趣了 4.16

15 我覺得使用科技電子模組教具教學後，能幫我加強課程內容的理解程度 4.52

16 我覺得使用科技電子模組教具教學，對我的學習毫無幫助 4.44

教具設計滿意度

17 我覺得科技電子模組教具的設計很新穎，很吸引我 4.36

18 我覺得科技電子模組教具的設計，能幫助我加深對課程的學習印象 4.40

19 我覺得科技電子模組教具的設計方式操作簡易，簡單學習 4.28

20 我覺得科技電子模組教具的設計，並無創新、感到無趣 4.48

21 我會期待其他單元也能融入科技電子模組教具來做教學 4.24

整體學習滿意度

22 使用科技電子模組教具教學，能降低我對「力與運動」單元的學習壓力 4.08

23 使用科技電子模組教具教學，能提升我與老師的互動頻率 4.16

24 使用科技電子模組教具教學，能增加我與同學的討論話題 4.12

25 使用科技電子模組教具教學，會使我對「力與運動」單元的學習更無興趣 4.48

總帄均 4.32

註:反向題 1-5、2-16、3-20、4-25 已轉換平均分數

第二節 相關分析

為瞭解各變數間相互間的關聯性，本研究採用Pearson相關係數來作檢定，

由相關係數分析表(5-2)可得知，教具設計面對教學滿意度與教學成效的相關係數

為0.646、0.627，顯示出彼此有中高度正相關。而教學滿意度對於教學成效之相

關係數為0.594，顯示出彼此有中高度正相關。

相關係數分析 5-2

教學 成效 教具

教學 1

成效 .594** 1

教具 .646** .627

** 1

註 : **. 在顯著水準為 0.01 時 (雙尾)，相關顯著

第三節 線性迴歸

本研究首先以描述性分析統計滿意度平均，再以相關分析探討構面之間的

相聯性，接著利用線性回歸分析教學與教具設計對於教學成效之影響。其分析

內容如學習成效之迴歸分析表(5-3)所示 :

學習成效之迴歸分析表 5-3

模式 未標準化係數 標準化係數

t 顯著性 B 之估計值 標準誤差 Beta 分配

(常數) 1.259 .717 1.756 .094

教具設計滿意度 .495 .188 .530 2.629 .016*

整體滿意度 .212 .113 .256 1.882 .078

教學滿意度 .327 .155 .361 2.104 .049*

教具 X教學 1.201 .343 .626 3.507 .002*

教具 X成效 -1.457 .528 -.487 -2.758 .013*

作用力與反作用力 .548 .132 .653 4.142 .001*

轉動效應 .087 .079 .195 1.102 .287

運動定律 .244 .094 .330 2.595 .020*

註 : * 為 p < 0.05

由表(5-3)之結果顯示，滿意度構面中的教具設計滿意度」、教學滿意度對於

教學成效皆有顯著影響，教具設計又以「作用力與反作用力」之影響最高，並將

教具與教學及成效進行交互作用分析之後，發現教具設計對於教學方式及學習成

效皆有干擾之作用。

第四節 假設檢定結果

假設檢定結果彙整表(5-4)

研究假設 假設問題 結果

H1 接受電子模組教具作為輔助教學，會正向影響學習

成效。

成立

H2 接受電子模組教具作為輔助教學，會正向影響教學

滿意度。

成立

H3 教學滿意度會正向影響學習成效。 成立

第五章 結論與建議

第一節 結論

本研究採準實驗研究設計，實驗對象為彰化市信義國中某班三年級學生，班

級人數為 27 位，以前、後測成績比較成績差異，並請學生填寫滿意度問卷及課

堂觀察的方式分析學生的學習成效與學習滿意度的相關性。

有效樣本為二十五份，資料透過描述性分析、相關係數分析與線性迴歸及等

統計方式整理結果如下:

一、 將電子模組教具融入國三理化「力與運動」之三個單元上，其整體滿意度

及學習成效皆有正面趨向。

二、 在教具設計上具有顯著影響學期成效，不過對於前後測成績並無明顯差

異。

三、 學生對於將電子模組教具融入理化課程中，抱持著新奇、有趣的正向態度。

四、 教師透過開發教具，可以提升個人設計潛能，同時也能嘗試不同的教學風

格，且有助促進師生互動。

第二節 建議

一、研究者在設計教具的過程中，因本身尚無實際理化教學之經驗，故在如何聚

體呈現課程內容之現象問題上琢磨較久，需反覆與專家教師做討論，修正多

次才得以成功應用在實際教學上。

如研發者本身是與從事理化教學或科教教具開發的人員，在設計內容上較能

得心應手，且相關資源較好取得。

二、由於實際導入在課堂教學的歷程較短，且樣本數偏少，故在前、後測成績之

比較上，並未有顯著進步，也導致未能比較有接受教具及無接受教具之學生

是否在學習興趣上會有明顯差異。

因此研究者認為，導入教具在課堂內容上授課時間應拉長至以週為單位，並

分為實驗組與控制組做進一步分析。

三、在教學設計上，因教具數量的限制，故僅有教師透過口頭描述內容並搭配教

具做輔助教學，此教學限制可能導致學生在接受課堂訊息時有遺漏或未能感

受實際現象之狀況。

為確保學生皆能同步學習，接收同樣教學訊息，故需考量實施教學時之教具

分配及相對購入經費。

四、各個學校可考慮成立教具研究小組，負責開發符合各校創辦特色的教色教材，

透過校內資源輔助及各個師資專業結合，更能完成完整性較佳的教學平台。

參考文獻

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[13] 鄒玉鈿(2012)，「探究式創意實驗教學」對八年級學生自然領域學習表現之

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