搜索
系統模擬實驗設計與分析之電腦輔助教學環境郭幸民陶幼慧義守大學工業工程與管理學系義守大學資訊管理學系摘要系統模擬涵蓋之知識領域廣泛，且需要相當的經驗累積，方能成功解決不同實驗階段之問題。基於時空之限制，目前模擬課程之教學內容多半侷限於介紹基本概念或程式寫作，致使學習者容易忽略實驗設計與資料分析等關鍵課題。因此本研究探討系統模擬之理想教學環境，蒐集整理專家學者教學與實際應用之經驗，以範例教學的方式引導學習者參與解題，並實際運用全球資訊網構建一芻型系統，教導與協助學習者使能有效運用系統模擬解決問題。構建完成後由專家進行操作評估，並對修習模擬課程之學生以問卷調查進行實用性評估，統計結果驗證本系統明顯提昇學習者之瞭解程度。關鍵詞：系統模擬、電腦輔助教學、全球資訊網壹、緒論O'Keefe[19]指出以模擬解決問題時須具備四項知識：問題領域的知識、模擬系統模型建構知識、模擬程式語言知識及統計知識，由此可見模擬的學習門檻較高。一般的模擬教學基於教室教學時間的限制，教學內容往往侷限於模擬觀念、模擬模式建構或模擬軟體應用之教導，而後半段的模擬統計知識與技術在學習者的認知中淪為次要的角色。實際上，成功的模擬應用常取決於有效的實驗設計與統計分析，所以相關的教學是一個值得加強的方向。相對於模擬模式與語言發展而言，模擬統計分析在研究文獻或應用工具的開發上較居於弱勢。MellichampandPark[14]、Ramachandranetal.[16]、TaylorandHurrion[18]與TaoandNelson[20]對模擬實驗設計與分析問題都曾深入探討，並提供理論架構或芻型系統；在模擬分析的應用上，Goldsmanetal.[11]用三種不同的比較方法解析同一問題。這些模擬分析過程之知識與經驗，仍需以有限的課堂時數，有效地教導予初學者。教室教學還有空間上的限制，Leary[12]討論教室教學空間日趨不足的問題，一人一機的小班制環境更是難得。電腦輔助教學(CAI)隨著個人電腦的普及，已被廣泛地應用。Chenetal.[5]與CognitionandTechnologyGroupatVanderbilt[6]都以互動多媒體方式設計CAI軟體。根據WhitehouseandPellegrin[19]調查顯示，利用個人電腦與軟體來提昇學生的知識或教導技能可減少約70%的訓練時間，相關研究如Antaoetal.[3]驗證CAI教學的確有效。而網際網路的演進，更有助於CAI的推廣與全天候的師生間互動，可部分解決教學空間不足的問題。國內外已有許多大學推動非同步教學課程，例如台大管理論壇之網路教學已頗具規模。另一方面，模擬統計分析對很多學生而言相當艱澀枯燥，教育理論之建構主義強調『善用學習工具』以激發學習動機，Gragnéetal.[9]與Bayer[4]認為電腦教學的教學設計應包含：引起注意、提供學習者課程的資訊、重要學習的刺激回憶、呈現區別性特色的刺激、引導學習、引導學習者動作、提供消息的回饋、評估執行與加強保留。也就是課程的設計要掌握與學習者間的角色與互動關係，才能在有限時間與不同的空間差異中發揮功能。適當的人機介面設計能發揮系統內在的人機互動角色，讓使用者可專心於教學內容的學習，增加學習效果。但是網際網路介面的設計有別於一般傳統的介面設計，故應於介面設計時特別考量。綜合上述的討論，本研究將著重於兩個重要議題：模擬統計分析的簡易經驗模式及教學輔助系統與介面設計原則之應用。換言之，研究重點在搜集專家經驗，整理出模擬解決問題之經驗原則，並設計一個知識與經驗並重之教學環境，進而建構一套網路輔助教學系統使學習者可以適時適地適當地學習。以下分為四個部分：第貳部分是研究設計與範圍；第參部分是芻型系統設計與構建；第四部分是系統評估；第五部分是研究成果的自我評量。貳、研究設計與範圍本研究之目的為設計一網路輔助教學系統以教導系統模擬初學者有效的模擬統計分析技能。由於系統模擬的學習範圍甚廣，本研究僅針對實驗設計與分析部分，也就是表1中的模擬程式測試、實驗設計、實驗執行與模擬資料分析等部分進行探討。表1系統模擬程序表(LawandKelton[11])鎖定的學習對象應具備基礎統計概念，並為正在學習系統模擬的初學者或甫完成學習之使用者。本研究理想的輔助教學環境並非取代教師之授課，也有別於一般的網路電子書。本研究無意涵括完整的知識，強調之教學內容在於教室教學中限於時間而無法詳細教導之部份，且著重於培養執行定義問題（problemdefinition）搜集資料及定義模型驗證（validation）建立模擬系統電腦程式及驗證模擬程式測試（pilotruns）實驗設計（experimentaldesign）實驗執行模擬資料分析（outputdataanalysis）結果報告系統模擬程序流程2模擬實驗之有效技能。本系統的建構模式是加強專家解題的流程與技巧，並利用案例教學方式在解題的過程中學習情境化的專家經驗；另外結合互動式多媒體特性與超連結的特性，加強與學習者間的互動關係，介面的設計注重增加親和力。本研究主要利用Excel與AweSim網路模擬軟體產生所需的教學資料、以HTML與JavaScript為系統介面設計工具、並以PhotoImpact製作動畫圖示。網址為為建構一易學且有效之教學學習環境，本研究採芻型(prototyping)開發法並以實用性測試(usabilitytest)來探索並滿足使用者的需求。本研究共進行三個階段之系統評估，包含試驗性評估、構建與執行評估與總結性評估，分述如下：1.試驗性評估之目標在於初步評估教學系統與介面設計的理念是否符合user-friendly原則。本研究以觀察法與訪談法對兩位使用者進行系統介面設計的資料收集，並採非計量分析方式，以protocolanalysis進行口語化分析。2.構建與執行評估之目標在於評估教學內容設計、教學與介面設計的理念應用是否得當；主要是為瞭解系統與學習者之互動程度，以及系統之內容設計是否合適。本階段由兩位專家以啟發式評估法與訪談法進行評估，並採非計量分析方法。3.總結性評估的目的在於瞭解系統之實用性與教學效果，評估重點可以分為兩大方向，首先對所有接受評估者採用比較性實驗，以瞭解使用系統前後間的教學內容瞭解程度的差異。然後請評估者填寫教學系統實用性的調查問卷，並採計量分析方法。參、系統設計與芻型構建本教學系統的重點分為教學內容及教學環境兩部分：內容設計在於專家解決問題的經驗與流程，包含更有效的模擬解題方法、實驗耗費時間的觀念與pilotruns的程序方法；環境設計在於引用教學設計原則與介面設計原則，讓使用者可以有簡易學習的互動介面環境。因此本節就教學內容及教學環境分成四個部分說明：(一)解題經驗原則本研究主要是根據TaoandNelson[20]的模擬實驗設計與分析架構分項探討，將模擬實驗與分析觀念與漸序式(sequential)的實驗設計分析方法，連同Goldsmanetal.[8]專家解決問題的經驗，經探究整理後分為以下六類原則進行探討：1.引導資料引導資料的目的在於提供執行者一個正確解題的思考模式(mentalmodel)，其內涵則著重漸進式的問題解決方式以資料引導模擬的分析及決策。1.1模擬實驗剛開始時，利用pilotruns產生少許資料，提供執行者從無到有的第一次實驗設計的依據。另外則是幫助檢驗模擬系統模型與實驗設計，以早期發現模擬實驗設計或程式架構的錯誤。1.2從每次執行產生的累積資料中尋找下一個實驗的最佳設計，如此可期望較低的可能誤差，而利用此資源與資訊可以節省後續實驗的時間與步驟。1.3非線性理解邏輯（nonlinearreasoninglogic）。模擬有時不需要A完成後執行B再做C，可利用現有資料直接從A轉至C，例如使用MultipleComparisonwiththeBest(MCB)時，可先看比較結果而不檢查其假設，待需要時再補作假設的檢查。2.系統/參數/系統方案系統是問題類型的總稱，而參數則是區隔同一類型系統下的重要決定因素。2.1在解決問題初期，先收集並儘量瞭解問題性質及問題的系統型態。這將影響到解決問題過程中的分析方法選擇，如steadystate系統型態需要考慮起始值誤差偵測，但terminating系統型態則不用。2.2在解決問題的過程中，充份利用現有資料來預測後續的分析，可節省最後需要大量運算資料的時間與分析困難度。例如每一個pilotrun以不同方法作方案的比較，也許可比較不同方法的效力並選取較簡易迅速的方法，甚至於在正式的productionrun前即可得到有效結論。2.3將問題細分成小項。例如一個龐大的等候線系統可切分成子系統或針對可能的瓶頸部分來分析可能會較容易解決問題。2.4在實驗初期將同類型的系統方案歸類在一起。例如：比較銀行櫃檯規劃之四個方案：顧客排單線等候4或6個櫃檯，排多線等候4或6個櫃檯。在這種情況下，研究者可將排單線與排多線之系統分別歸納成兩個類別，先行比較哪種排隊方式較佳，再進一步評估需要多少個服務櫃檯。2.5先剔除沒有競爭力的方案。Goldsmanetal.[8]曾在解決問題時將欲比較的方案分成三大類：有潛力方案、沒有競爭力方案及中間方案，如果方案實在太多，可先將沒有競爭力的方案剔除。3.設計/實驗/資源任何設計的方案都是為產生某種預期結果，而實驗則是執行的過程，實驗設計受到各種的資源限制：3.1在模擬實驗設計時考慮可利用的有限資源，包括解決問題時的限制條件，如時間或資料等。3.2注意可用的剩餘資源。例如：每一次pilotrun得到樣本平均值與標準差，若發現未達期望標準而需要再進行實驗時，就必須確認可用的剩餘資源。3.3在資源有限的觀念下發展實驗設計。例如執行20天的模擬實驗可以得到很精確的解，而另一種方式之誤差較大，但只須8天，如果實驗有時間壓力，可能必須選擇第二個方式。模擬世界中沒有完美的設計，只能在可接受範圍內求得最佳解。33.4在實驗過程中隨時調整實驗參數設計。例如在pilotrun時發現必須刪除大量樣本才能有效防止起始狀況的影響，此時應立即增加樣本數，等到productionrun才發現問題時已浪費許多資源。4.輸出資料模擬過程中產生許多原始資料，而模擬統計分析即在瞭解、設計、分析與表達這些原始資料：4.1模擬過程的原始資料要保存起來，漸序累積。若productionrun之前已經執行100個pilotruns，則所產生的資料不要丟棄，在productionrun時就可以接續開始，如此一來不但可以節省許多時間，所有模擬實驗的過程也都有跡可尋。4.2將龐大的輸出資料分批處理（batching）。例如：輸出的資料是30000個樣本，可以每30個樣本batch起來變成1000筆資料，不但可以節省資料的儲存空間，亦可以節省數據分析的時間。5.宣告/範圍/結果模擬漸進式的分析過程中，不同階段的結果有其範圍(scope)與適用性，所以可記錄下來成為一種宣告(statement)，以供後續模擬分析參考引用：5.1任何有關系統方案的結果都是宣告。宣告即是資訊的累積，每下一個實驗都需要依據這次實驗之前的宣告來思考設計。5.2解決問題的過程中保持資料原始記錄。維持中間結果可有助於瞭解最後結果與最初設計間的關係，以做出正確的決定。範圍是指達成某個宣告所引用的資料及宣告所適用的方案。5.3對模擬結果提出建議。例如一個多方案的問題，目前的結果比較出某兩個方案較佳，如果繼續實驗也許可找出最佳方案。此時可讓決策者思考目前的結果是否足夠利用，或是再花時間繼續實驗。6.分析/程序分析是利用模擬過程中的宣告、資源及輸出資料等進行整理，程序則是實際的統計方法或相關流程：6.1儘可能使用現有工具來幫助解題分析，以增加效率。例如執行配對的統計檢定，可以將結果直接輸出至SPSS軟體或Excel計算，也可以利用C或FORTRAN撰寫模組，都會比另行計算較有效率。6.2在使用者瞭解能力內