教學設計

本節主要說明本研究所設計之教材之教學目標、

壹、教學目標

本研究之教學設計目標是讓學生透過簡單低門檻的工具、貼近生活的主題學 習人工智慧的概念，利用人工智慧的主題，學習課綱中的學習內容「資料表示」

及「演算法」，同時在學習的過程中，培養學生運算思維。讓學生透過此課程能：

1. 理解人工智慧的歷史及基本概念

2. 理解並運用人工智慧不同的演算法策略 3. 清楚將資料表示及運用

4. 運用視覺化程式設計工具改編、設計聊天機器人

貳、教學步驟

參、教材單元與內容

本研究課程中所使用的程式語言環境為 Scratch，使用此「低門檻，高極限」

的視覺化程式設計工具，能讓學生專注於設計與創作，是適合的運算思維學習工 具（Grover & Pea, 2013）。透過與範例程式中的機器人互動，學生會發現機器人 不夠智慧的問題，進而思考來解決問題。學生利用互動式的程式設計工具，在製 作過程當中需使用各種運算思維來解決情境中的問題並完成作品（Brennan &

Resnick, 2012）。

教材包含三個單元，問答機器人－艾倫圖靈、關鍵字機器人－我的聊天機器

每單元皆依本研究之五個教學步驟設計，各單元說明如下：

Scratch

圖 3-2 第一單元－艾倫圖靈範例程式執行畫面及程式片段 二、關鍵字機器人－我的聊天機器人

在此單元中，除了讓學生更熟悉規則的使用外，也讓學生了解聊天機器人關 鍵字的運用，說明專家系統的意義，引導學生設定聊天機器人的角色，並介紹聊 天機器人運用關鍵字策略的運作邏輯，最後讓學生設計出自己的聊天機器人。本 單元詳細教學活動步驟說明見下面表 3-4，實作範例程式如圖 3-3。

表 3-4 單元二教學活動步驟說明

Scratch

評估與分析  試玩其他同學的機器人，並給予 優點及建議

學習單

三、學習型機器人－尋找白馬王子

在此單元中，主要讓學生認識決策樹，學習如何運用「樹」，來將資料妥善 表示，進行分類，最後能輕鬆的找到答案；以及讓學生知道機器人可以透過互動 來學習、增加資料；由於本教材的課程設計以及使用的程式語言環境，無法完整 讓學生了解機器學習的基本概念，因此於本單元的課程最終，讓學生體驗機器學 習相關的應用程式，並連結過去課堂所學概念，作為整個課程的收尾。本單元詳 細教學活動步驟說明見下面表 3-5，實作範例程式如圖 3-4。

圖 3-4 第三單元－尋找白馬王子範例程式執行畫面

表 3-5 單元三教學活動步驟說明

Scratch

展示作品  試玩其他同學的作品，觀摩學習 Google 學習單

肆、教材設計與製作

本研究根據教學目標及教學步驟設計教學素材，包含教學投影片、範例程式 及學習單。教學投影片主要為輔助教師之教學，向學生展示及說明教學內容；範 例程式主要為提供學生體驗及實作；學習單主要為輔助學生進行機器人設計的運 算思維等思考歷程。以下則以單元二，關鍵字機器人－我的聊天機器人為範例，

說明此單元設計素材之理念：

範例程式參考 Eliza 聊天機器人的程式邏輯設計，讓學生只負責設計機器人 對話的必要程式片段，例如：儲存關鍵字的陣列、對應每個關鍵字的回答內容的 陣列、取得關鍵字回答的判別式，如圖 3-2，專注於完成聊天機器人的關鍵部分，

降低學生的學習負荷。

圖 3-5 學生於範例程式中需完成之程式片段

的對話、關鍵字及回答、判斷關鍵字的流程圖，如圖 3-3 及 3-4。學生先行在學習 單上建構機器人所需要的資料，並適當地表示，以及規劃其判斷的流程圖，強調 在進行程式設計實作前的思考歷程，同時在這個過程當中培養運算思維。

圖 3-6 學習單上規劃關鍵字及對應之回答

圖 3-7 學習單上規劃判斷流程

投影片是輔助教師授課的工具媒材，於投影片上先行介紹該單元所要體驗的 聊天機器人—Eliza，再說明此範例相關的人工智慧概念及學生任務，如圖 3-5，

而後學生的學習單完成狀況差不多時，以投影片搭配教師實際操作解析重要程式 片段。

圖 3-8 教學投影片介紹體驗之機器人及任務

單元一及單元三之教學素材展示請見下表 3-6，詳細學習單內容請參考附錄

思考歸納

具體經驗

範例程式-心理分 析師：此程式透過 決策樹分類動物，

藉 由 一 層 層 的 問 題得出答案，若答 案錯誤，可以讓擴 增資料。

思考歸納

學習單：學生根據 excel 的資料表畫 出決策樹，再將樹 的 資 料 內 容 轉 換 為清單的表示法。

第三節 研究工具

圖 3-9 運算思維能力前測與後測題目

貳、自編學習成就測驗

學習成就測驗用以了解學生課程後對人工智慧概念的理解。測驗內容以過去 學生所學的三個單元內容所編製，試題類型相似於課堂中練習的學習單。題目共 計 6 題，包括制定規則、決策樹、清單、程式設計，如表 3-8。詳細內容參見附錄 四。

表 3-8 成就測驗考題內容

題號 電腦科學概念 運算思維

一 資料表示 資料表示

二 制定規則、條件判斷、邏輯運算子 演算法

三 決策樹、資料表示-樹 演算法、資料表示

四 決策樹的時間效率 演算法

參、自編學習態度問卷 適合學生的學習。（第 1、2、4、9、10、11、12、13、17 題）

2. 學習興趣與意願：了解學生對於整體課程及教材活動的學習興趣與意願，

以及課程主題是否增加學生對於電腦科學的學習興趣與動機。（第 3、

5、6、7、8、14、15、16 題）

3. 第二部分主要為課程的回饋與建議：讓學生自由回答，給予個人看法、

第四節 資料蒐集與分析

本研究透過運算思維能力測驗前測與後測、自編成就測驗、自編態度問卷作 為資料主要來源，並以課堂學習單、程式作品、課堂觀察記錄以及問卷中的開放 式填答區作為分析的輔助資料，了解本研究之課程是否對學生的運算思維能力、

學習成就及學習態度有影響。資料蒐集以運算思維前測與後測成績、成就測驗成 績及態度問卷第一部分作為量化資料，以態度問卷第二部分、程式作品及教師實 施教材問卷作為質性資料。

量化資料分析，運算思維能力前後測以成對母體平均數差異檢定（T-test）來 檢定學生經過本研究之教學運算思維能力前後測是否有顯著差異。同時分析成就 測驗成績與運算思維能力成績是否有正相關，以及成就測驗成績與態度問卷成績 是否有正相關。

第五節 研究實施程序

第四章 結果與討論

本章主要探討體驗式聊天機器人教材對學生的人工智慧學習成效、學習態度 及運算思維能力的影響，以學生填答的運算思維測驗、成就測驗、態度問卷內容 進行結果分析，並以課堂中的觀察紀錄、學習單、教師實施問卷作為結果的輔助 與討論。以下將結果與討論分為四節，人工智慧學習成效、學習態度、運算思維 能力、學生及課程實施教師回饋，加以詳細描述。