2012-06-01 貼出 (本文版權沒有)

原文發表在中研院創用 CC 研究室的部落格 (link)


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PhET 所帶來的教學創新與啟發

江易原 I-Yuan Chiang 2010.04.30

本文置於 public domain (CC0)

國外已經有針對公眾授權 (public licenses) 的教材與軟體對教學與學生學習成效的研究，其研究的方向有教學效果、軟體購買預算問題、可客製化的特性對使用者及教育者的影響、降低盜版率等主題。筆者觀 察台灣的環境，發現研究教育社群及推動自由軟體社群的交集不大，查詢全國博碩士論文，以自由軟體或是公眾授權教材應用於教育的論文不多，查詢國內的教育資 料庫，相關的研究也不多。因此筆者希望藉由這樣的介紹可以影響一些人，投入相關的研究。
本文以 PhET 例子，列出 PhET 團隊以教學模擬於物理教學等研究報告，其研究內容非常值國內的教育及研究單位參考。

下方的參考資料選自 PhET 網站。目前共有四大主題，共有 30 多篇文章或報告，原網頁有提供文章，有興趣的可以前往下載。在此筆者僅選出部份文獻及加上標題翻譯或是個人的看法。

1. 有關 PhET 的個別教學主題之應用研究

• Laptops and Diesel Generators: Introducing PhET Simulations to Teachers in Uganda, Sam McKagan, The Physics Teacher, 48, 63-66 , January 2010. (PhET 團隊的成員向烏干達的高中物理老師推廣 PhET)
• Making On-Line Science Course Materials Easily Translatable and Accessible Worldwide: Technical Concerns, C. V. Malley, J. O. Olson, Multimedia in Physics Teaching and Learning Proceedings, 2009. (這文章說明 PhET 團隊努力讓 PhET 的翻譯簡單化。的確技術難度不高，台灣的翻譯者才能短時間內完成所有的翻譯)
• PhET: Simulations That Enhance Learning, C.E. Wieman, W.K. Adams, K.K. Perkins, Science, 322/682-683 , October 2008. (這是在知名的期刊 Science 的教育論壇介紹 PhET 的文章)
• A Powerful Tool For Teaching Science, C. E. Wieman and K. K. Perkins, Nature Physics, p. 290-292 , May 2006. (在知名期刊 Nature Physics 介紹 PhET 的評論文章，)
• Transforming Physics Education, C. E. Wieman and K. K. Perkins, Physics Today, November 2005. (說明了物理教育面臨挑戰，需要導入新的教學方式)

2. 對於高效性模擬設計的重要特色 (卓越的訪談資料)

• What Levels of Guidance Promote Engaged Exploration with Interactive Simulations?, W. K. Adams, A. Paulson and C. E. Wieman, PERC Proceedings, 2009. (四種導引方式，從完全沒有說明、導引問題、輕度指導及重度指導等，研究對學生從 PhET 學習科學觀念之成效)
• A Study of Educational Simulations Part I - Engagement and Learning, W. K. Adams, S. Reid, R. LeMaster, S. B. McKagan, K. K. Perkins, M. Dubson and C. E. Wieman, Journal of Interactive Learning Research, 19(3), 397-419 , July 2008. (這文章說明了 PhET 團隊在設計教學模擬主題時，先針對 200 位學生進行訪談，針對程式的介面外觀、使用直覺性與傳達科學概念等方向，作為改進之建議。本文非常適合國內推廣教育自由軟體研究者參考)

3. PhET 在課程應用研究

• A Research-Based Curriculum for Teaching the Photoelectric Effect, S. B. McKagan, W. Handley, K. K. Perkins, and C. E. Wieman, American Journal of Physics, 77, 87 , January 2009. (光電效應教學學習單)
• Can Computer Simulations Replace Real Equipment in Undergraduate Laboratories?, N. D. Finkelstein, K. K. Perkins, W. Adams, P. Kohl, and N. Podolefsky, PERC Proceedings, 2004. (電腦模擬可否取代大學部的實驗課程的實驗器材？該研究發現使用 PhET 學習的學生在概念學習及實際電路組裝測驗兩方便的表現，都勝過使用實驗器材學習的學生)

4. 學生對學習的感受

• A deeper look at student learning of quantum mechanics: the case of tunneling, S. B. McKagan, K. K. Perkins, and C. E. Wieman, Physical Review Special Topics: PER, 4, 020103 , October 2008. (深入探討學生學習量子力學：以穿隧效應為例)
• Why we should teach the Bohr model and how to teach it effectively, S. B. McKagan, K. K. Perkins, and C. E. Wieman, Physical Review Special Topics: PER, 4, 010103 , March 2008. (為什麼我們要教，該如何有效的教波耳的原子模型)

在教育部自由軟體應用諮詢中心及各地縣市網路教育中心的推廣下，越來越多的中小學老師在課程中使用 PhET 及自由軟體，這些都是很好的合作夥伴，當然其他的自由軟體也是很棒的研究題材。筆者在此提出幾項建議：

1. 就教育的角度來看，可以研究的題材相當多，就大方向來說，包括多媒體教材與學生學習成效、教師與學生使用盜版與正版之概況、數位教材之取得與教師導入多媒體教學之意願、自由素材與教材可客製化之特性對教師自行編輯教材之影響等主題。


2. PhET 有 80 多個主題，而且逐漸增加中。如化學可逆反應、碰撞反應等主題適合在高中化學抽象觀念的教學，能否有效促進學生的學習是非常值得研究。PhET 網頁所列出的文獻中可以看到有針對波耳原子模型及量子力學。建議可以針對個別主題進行在地的研究，例如各家理論所闡釋的原子模型原本是艱深難懂的原理，也 是台灣學生在化學課程不易理解的部份，現在透過 PhET 的視覺化教學，讓概念變得容易許多，因此這方面增進學習成果的量化數據很值得研究。又例如台北市南門國中的鄭老師曾作過這樣的教學，他將學生分為兩組，一 組先講解電路元件後實際操作，之後使用 PhET 的電路單元講解原理；另一組學生先使用 PhET 的電路單元講解原理，之後進行電子元件操作。鄭老師表示，先使用 PhET 講解原理後，學生對整體的觀念比較好，對實際組裝電子元件的摸索時間也會減少，這結果與 PhET 團隊於 2004 發表的研究結果相同。

3. 就公眾授權來說，可以研究的主題包括教師對著作權與公眾授權之認識、公眾授權素材是否能增進教師在數位題料上的使用、教師使用公眾授權釋出所創作教材之意願等研究。

4. 此外，筆者也建議對於研究成果的報告可以採公眾授權釋出，例如研究生的學位論文可以使用 CC 授權，研究成果可以投到 Open Access 期刊，投稿到國內期刊雜誌時可以聲明採公眾授權，這樣可以讓研究成果讓更多人享受研究成果，研究者的名聲也更能散布。以筆者為例，根據康乃爾大學的規定， 學生學位論文之著作權屬於學生所有，因此每個畢業生的可以在論文前放置版權宣告頁，若沒有，則算是 public domain。筆者當時與學校的相關單位討論之後，校方同意筆者使用 GNU Free Document License 作為論文的授權。然而國內對於學位論文的採公眾授權的情況仍有改進空間，因此筆者建議在進行自由教材融入教育的研究之後，也能把研究成果釋放出來。

自由教材整理

2012-05-22 貼出

這原來是在 2010-08 協助 Ezgo 寫的自由教材簡介，現在貼在部落格，跟大家分享。找時間阿原會持續更新自由教材的收集。

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自由教材與素材

江易原，開南大學保營系 助理教授
iychiang1809@gmail.com
本文件置於公共領域 (版權沒有，歡迎進行任何用途)

關於自由教材/素材

自由教材/素材是指使用自由授權的教材/素材，自由授權是積極的分享，歡迎使用者散佈與轉寄。我們正在接觸這些自由教材的創作者，希望可以與國際接軌並進行自由教材在地化與易用化的提昇，讓老師學生們可以有更豐富的教學資源。

相信透過電腦動畫或是圖形教材的教學，可以讓學生們更能體會艱深難懂的科學概念，增加學習效率與樂趣。未來我們我們將陸續收集更多的自由教材，並搭配學科自由軟體的應用，希望能提供更棒的教與學的資訊應用資源。


藝術人文與語言類

• 英文有聲書 LibriVox
  對象：小學到大學
  想要製作英文有聲教材，拿現成的錄音可能有版權問題，自己錄音卻又怕工作量太大。現在，您可以在 LibrVox.org 找到知名的童話故事與文學作品，文字及錄音都有，只要下載就可以使用，也可以使用 Audacity 剪接聲音檔，您就可以自行製作英文有聲教材。目前Librivox已經有四千多個有聲書，全部都是公共財，這裏幾個有聲書的例子《伊索寓言》、《青蛙王子》、《阿拉丁神燈》、《白雪公主》、《格列佛遊記》、《神曲》、《戰爭與和平》。本團隊已經將有關Librivox的使用說明翻譯完成，方便大家使用。

• Project Gutenberg 古騰堡計畫

對象：小學到大學

古騰堡計畫是 1970 年代美國民間發起的計畫，目標是將版權過期的書籍進行數位化保存 (請想像一下，在 70 年代那個電腦跟房子一樣大，全世界沒有幾台電腦的年代，發起人就有這樣的遠見)。國內亦有部份志工將中文典籍數位化後上傳到古騰堡計畫 (古騰堡計畫中文書籍)

• Internet Archive 網路典藏，古典樂篇
  對象：小學到大學
  Internet Archive收藏了許多版權過期或是 CC 授權的資料，也有很多古典樂。無論是指揮大師托斯卡尼尼還是喬治賽爾，無論是小提琴大師海飛茲還是歐依斯特拉夫，無論是貝多芬的還是理查史特勞斯的作品都可以找得到。當然也有中小學下課鐘的音樂 (德佛札克新世紀交響曲第二樂章)，巴哈的老烏鴉，卡農，莫札特第四十號交響曲等等，請帶著愉快的心情，一同到 Internet Archive 來趟古典樂之旅。

「托斯卡尼尼指揮，海飛茲演奏貝多芬小提琴奏曲」

「馬勒交響曲第二號，第五號」

「厄爾克勞與理查克萊德門」

「布 拉姆斯大學序曲」

「貝多芬命運交響曲」

「柴可夫 斯基 1812 序曲」

「比才，卡門」

「柴可夫斯基鋼琴協奏曲第一號」

「德 佛札克新世界交響曲」

• OpenclipArt圖庫資源簡介
  對象：小學到大學
  想要使用軟體畫出圖形，卻又沒時間完整學會向量繪圖軟體嗎？想要找個素材放到網頁或簡報 (如電腦、樹木、水果、飛機、太空梭等圖形)，不妨到 openlipart.org 看看，不但內容豐富可以挑選，也可以自行使用Inkscape修改。
• Free Sound Project 音效資源簡介
  對象：小學到大學
  若需要聲音作教材或特效，例如「鳥叫聲」、「貓叫聲」、「雷聲」、「雨聲」、「大笑」、「心跳聲」、吃壞肚子的「排氣聲」等，都可以在 freesound.org 找到有趣的素材。也可以配合聲音剪接軟體Audacity進行剪接及製作教材。

數學與自然科學類

• PhET 互動式教學
  

對象：小學到大學
PhET 是美國科羅拉多大學 (Colorado University， Boulder) 物理系所發展的互動式教學主題。 原始碼採 GPL 授權， 而教學主題採創用 CC (姓名標示) 授權，皆不限制商業用途。教學主題包括數學，物理，化學等領域，適合台灣的國高中課程 (部份主題較難，適合大學的課程)。我們已經取得 PhET 團隊的許可正慢慢的進行中文化，希望中文化的 PhET 可以幫助老師教學及學生學習。

• 美國NOAA的地球科學動畫

對象：小學到大學

NOAA多數的資料是公共財，動畫實驗室將衛星探測等資料製作成動畫，因此許多科學概念艱深的主題如聖嬰與反聖嬰現象、北極冰帽消長、南極上空臭氧層破洞等議題，透過動畫清楚呈現，非常適合學校及一般教育。本團隊在2010-05已經取得NOAA的NNVL實驗室之同意，將影片進行翻譯，而我們也承諾將翻譯的成果也置於公共領域 (不受著作權法保護)，提供國人高品質的教材。

「2010 冰島火山爆發造成歐洲班機停飛」

「臭氧層破洞」

「北 極冰帽消退」

「2005 美國卡催娜颶風」

「2009年8月，海水表面溫度創有紀錄以來的新高」

「2009年7月的聖嬰現象」

「海底探測原理」

• U.S. Fish and Wildlife Services美國漁業暨野生動物局

對象：小學到大學

有相當豐富生物類的照片，多數為公共財。

• NBII美國國家生物資訊基礎建設

對象：小學到大學

有相當豐富的生物及環境的照片，多數為公共財。
**20160409 補充： NBII () 之計畫已經在 2012 結束，原來官方網站也沒了，下列是存放的檔案
"National Biological Information Infrastructure" home web page archived 5 January 2012

• Animations for Physics and Astronomy 物理與天文動畫教學 (英文)
  

對象：國中以上
這精彩的教學動畫是由美國賓州州立大學 Schuylkill 校區的物理系助理教授Michael R. Gallis所製作， 採創用 CC 授權 (姓名標示-非商業性)， 在 youtube 也可以看到。 雖然是大學的物理課程， 但是不少教學動畫適合用在國高中的物理課程， 例如力學教學動畫。 Gallis 博士還製作物理，天文，數學互動式教學 (Applets for Physics， Astronomy and Math)， 與 Ping Wang 博士共同製作的數學動畫教學 (Visual Tool for Mathematics Education)， 包括代數與微積分的觀念。

• Flash Animations for Physics 物理動畫教學 (英文)
  

對象：國中以上
加拿大多倫多大學物理系的 David M. Harrison 博士製作了物理教學動畫內容包括chaos (混沌)， 運動學， 力學， 光學， 電磁學， 流體力學， 量子力學， 波等， 不但可以用在大學物理課程， 也適合在台灣的國高中課程， 例如 Motion Animation 清 楚的表達運動學中， 車子以某初速度前進， 當加速度為特定的負值， 在 v-t 圖上速度為零的點， 正是車子停止開始倒退的點。 根據官網， 已經有數種語言的版本， 如果這些物理動畫對教學有幫助， 請告訴我們， 我們會設法連絡原作者與進行翻譯。 此物理動畫是採創用 CC 授權 (姓名標示-非商業性-相同方式分享)。

• Chemical Structures in SourceForge.net 有機化學分子資料庫
  

對象：高中以上
法國人 Jerome Pansanel 創作了這個資料庫， 採用BSD自由授權 (不限制商業用途)。 作者依照官能基將有機分子分類， 不但方便老師教學， 對學生學習也有很幫助。 內容深度適合高中化學及大學有機化學及生物化學等課程。 這資料庫不只有熔沸點的基本資料， 更可以在安裝 Java 後在線上觀看分子的立體圖 (也可以下載使用)。 如果需要分子的圖， 還可以下載剛檔案， 使用其他軟體展示立體圖形， 例如化學立體分子繪圖及看圖軟體顯示立體圖 (在此推薦使用Avogadro與pymol)。 本團隊已獲得原作者的許可進行翻譯 (正體中文使用介面)。個別化合物的中文譯名已經翻譯完畢且回報給作者， 近日內作者會在加到新版化學分子中。

• Crystal Lattice Structure 化學分子結晶圖 (英文)
  

對象：高中以上
這是美國海軍研究室所繪製的結晶圖， 版權是 Public domain， 也就是沒有版權， 是公共財， 不受著作權法保護 (Public domain比自由授權更自由)。 不但適合用在高中化學 (如氯化鈉， 石墨或鑽石等堆積)， 也適合用在大學相關的化學課程。 需要先安裝Java才能在線上觀看結晶圖， 也可以下載分子圖使用。

• Protein Data Bank 生化分子資料庫 (英文)
  

對象：大學以上
這原本是適合做生化研究的， 但是可以下載需要的分子作教學， 例如 DNA 雙股螺旋 (3bna) 的結構適合用在高中生物課。 資料庫裡的分子更適合在大學生化相關課程使用， 可以線上觀看立體分子， 也可以下載使用。 本資料庫的分子為 Public domain。

• Virtual Textbook of Organic Chemistry 有機化學虛擬課本 (英文)
  

對象：大學以上
這是CC授權 (姓名標示-非商業性-禁止改作) 的線上有機化學教科書， 由美國密西根州立大學 William Reusch 教授所製作。

• Molecular Workbench—生物類教材
  

對象：高中以上

Molecular Workbench不只是生物生物教材，裏面也有物理及化學的教材。難度相當於我國大學低年級的課程，因此部份教材適合在高中的課程。本團隊已經取得許可，正在進行中文化

• OpenEpi 線上生物統計
  

對象：專科、大學以上

無論生物、醫學、農學等，生物統計都佔有重要的角色，統計軟體正是輔助學系的必備工具。然而許多統計軟體都是版權所有，翻印必究。現在可以使用OpenEpi線上統計網站 (MIT自由授權)，配合Gnumeric統計軟體 (GPL 自由授權)，這些自由免費的統計軟體，可以讓老師教得輕鬆，學生學得愉快。本團隊於2010-06與OpenEpi團隊聯繫，取得翻譯的許可，正在進行中。而OpenEpi團隊也告訴我們，來自來台灣的連線佔他們流量的1%，排名20。他們也表示若我們能提供中文化介面，將有助於他們網站的使用。

• Open Source Physics(OSP) 開放原始碼物理教學 (英文)對象：國中以上
  雖然這名稱是開放原始碼物理。
• GRAPHICS FOR THE CALCULUS CLASSROOM 微積分圖形 (英文)
  

• GRAPHICS FOR COMPLEX ANALYSIS 複變分析圖形 (英文)
  

對象：高中以上
美國明尼蘇達大學的數學教授 Douglas N. Arnold 製作了微積分圖形 (適合高中及大學)及複變分析圖形 (適合大學)， 利用動畫解說數學原理。

其他非自由授權之線上教材

我們當然優先介紹自由授權的教 材， 但是有時候特定的教學主題 (例如原子軌域教學) 實在是一時找不到以自由授權的教材， 可能是沒有人開發， 也可能是我們不夠認真去找。 所以暫時先以可以免費使用的代打。 等他日找到以自由授權的教材時， 我們會將這非自由教材的介紹移除， 敬請見諒。

• Falstad's Math and Physics Applets Falstad 先生的數學與物理教學 (英文)
  

雖然可以免費下載， 雖然 Falstad 先生有公開原始碼， 但是筆者寫信給 Falstad 確認過， 這不是使用自由授權。 裏面的內容很豐富適合大學及高中的課程， 在此筆者推薦 Atomic orbitals (原子軌域) 及 Molecular orbitals (分子軌域)， 請先安裝 Java， 可以線上使用， 也可以下載使用。

• Cell Biology Animation 細胞生物學動畫 (英文)
  

這是由 John Kyrk 所製作的動畫， 把生化的觀念用動畫解釋， 變得簡單易懂。