本章共分為三節，分別探討運算思維之相關研究、適性化學習與推 薦系統之相關研究、以及數位遊戲式學習之相關研究。詳細說明如下：
運算思維
近年，我國教學重心為強調跨科目整合的素養導向培養，諸如 STEM、
STEAM 等橫向聯繫科目的教育理念也獲得重視（教育部, 2018）。數位 學習（E-Learning）的教學方針也因此由強調透過網際網路獲得完整學習 內容、知識、技能（Henry, 2001），調整跑道改以問題解決能力入門、進 而邁向更高層次的整合運用，不像以往僅僅偏重習得程式語言、應用軟 體的操作。學習運算思維模式將使學生在接觸不同學科領域時，能擁有 更結構化、程序化、抽象化的思考模式（林育慈 & 吳正己, 2016）。
即使是程式語言的編撰，也由於近期圖像化程式設計工具（Graphical Programming Environments） 如雨後春筍般增加，使程式設計入門門檻 大幅降低。而諸如 Scratch、Alice、GameMaker、Kodu 與 Greenfoot 等圖 像程式，相較於普通程式語言（如 C、Python、Java、Ruby 等），它們圖 像、模組化的操作更易於初學者上手，允許新入門的工程師將心思專注 於設計程式本身的架構與功能上，免去接觸繁雜語法的時間（Grover &
Pea, 2013）。
Miller（2009）以圖像化程式 LOGO 帶領一名 13 歲的聾啞學童，在 三個月的教學過程中引導他以有目的性、有規則性的方式控制小海龜繪 製圖像，使其在學習程式邏輯的過程中熟練並內化撰寫命令規則的過程。
一般而言，口說能力是閱讀和寫作能力展現的先決條件，拙於言語的學 童通常也不被期望能在編程（程式寫作）有傑出表現。但從結果來看，
該生除了在編程上有明顯的進步，在學習運算思維的過程中，他與他人 交流的頻率也逐步提升，從原本無法組織言語的狀況獲得溝通表達能力 的進展。
此外，倡導運算思維能促使女性學習者提升編程能力，跳脫刻板印 象，在以往被認為女性難以發揮的程式領域取得好表現。Kim（2016）以 33 名國小女學生為標的，運用 APP Inventor 建置了 Scratch 的教學課程，
教學內容包含物件（conditions）、迴圈、變數、陣列等。實驗前，研究人 員訪問了她們的電腦老師，教師們反映女生之所以在電腦課程表現較差，
咎因於動機和態度低落，與她們的操作、學習能力無關。對此，實驗融 入了動手做（hands-on）和任務導向式學習策略。研究結果顯示，受試者 的運算認知和創造力都有顯著改善，表明該計畫有效改善了小學女生的 運算思維能力。同時學生認為自己在創造力、邏輯思維、問題解決能力 和編程能力都有所改善，在課程滿意度的李克特式五點量表中，都給了
4 分以上的分數。
排序演算法做為將一連串有序或無序的數據、資料依照特定順序排 列的一種方法，在程式編寫中廣為運用於估算時間複雜度中，為運算思 維培訓的一項重要單元。Végh（2016）透過兩套教學遊戲系統幫助學生 理解簡單排序、泡沫排序、插入排序和最大及最小選擇排序的過程，研 究對象為同一批 39 位大學生，兩個遊戲分為先後進行。第一個遊戲中，
玩家必須透過各種排序法的規則移動撲克牌，使其最終能依照大小順序 排列；在遊戲前後必須填寫前後測，測驗內容為把排序法名稱填入符合 其排序特徵的敘述上。測驗結果顯示大部分學生在經歷遊戲後，儘管他 們仍不一定了解這些算法的細節，卻已可順利區分各種排序法之間的特 徵。第二個遊戲，實驗者則針對氣泡及快速排序法設計，學生必須利用 天秤將數個看起來一模一樣，重量卻不同的木箱進行分類，天秤下方會 記載學生的總秤次數，隨著關卡進展木箱數量將持續增加。結果顯示學 生在靠後的關卡中熟習規則，顯著減少了冗餘的比較次數，可幫助學生 在快速排序法等課程上的學習。
綜上所述，對於皆著重於運算思維培養，而非語法編撰技巧的資訊 基礎課程來說，使用圖像程設工具可避免教材訊息過於繁雜，對學生產 生不必要的外在認知負荷。另一方面，這些經驗也能做為先備知識，避 免學生在接觸普通程式語言時由於任務難度過高，超越自身能力可負荷
區，陷入不必要的焦慮狀態（Strati, Shernoff, & Kackar, 2011）。
本研究將以運算思維中的排序演算法為標的進行教學，為免學生接 收到超過自己能力範圍過多的教材，事先分析學生水準、檢測教材難度 是有其必要性的。為此，本研究認為將推薦系統導入排序演算法系統開 發架構中，確實是具備可行性的。
推薦系統與適性化學習
在學生長期獲得低學習成就的情況下，伴隨產生的往往是厭煩、恐 懼的負面情緒，這些阻礙了他們進一步自律學習的可能性。為了增進學 生的自我學習效能，給予學生適當的鼓舞、避免提供他們過度困難、冗 餘的教材是有必要性的（Dellos, 2015; Ramdass & Zimmerman, 2011）。
Chen（2009）指出，如果教師能夠幫助學生理解他們的優勢以及適合他 們個人的學習策略，那麼學生就可能會變成更有效率的學習者。因此，
將能有效鑑識不同使用者需求差異，提供適切資訊的推薦系統引入教材 的開發中，似乎就順理成章了。
事實上，在商用領域中，諸如亞馬遜、ebay 等交易網站已長期使用 推薦系統（Schafer et al., 2001）。上述網站的推薦系統蒐集客戶本人的購 物偏好、分析個人的消費歷程後，將之與其他使用者的消費清單交叉比 對，預測消費習慣的趨勢，幫助顧客在日後的消費行為中找到符合喜好 的商品（Crespo et al., 2011）。近年來推薦系統則隨著 B2C 貿易網絡興起 蓬勃發展，中小零售商、電信業、物流業也多有使用。導入推薦系統的 操作平台，往往因為使用感受變佳，從而獲得客戶更正面的評價（Jiang, Shang, Liu, & May, 2015; Leung et al., 2018; Zhang et al., 2013）。
而在課堂教學領域中，教材推薦系統亦被運用在正規課程或是弱點 課程上，在幫助個別使用者建立自己的知識、技能架構，鑑別個別需求
上頗有助益（Lee & Kim, 2012）。由於教材推薦系統可以推薦個人化教材 的特性，適合應用在需要個別為學生提供學習素材的適型化教學，這種 學習法需要分析每一位學生彼此之間在學習成就、強項弱點的落差，為 使用者建立個人化教材，幫助所有學生取得最吻合自身需求的學習素材。
如陳瑋廷、許庭嘉（2015）以擴增實境結合凱利方格推薦系統進行木製 品加工的教學，以 38 位高職學生作為受測對象，運用凱利方格提供學生 個別所需的電子書和擴增實境教材，研究結果發現結合了推薦系統的教 材確實能提升學生於該課程的學科知識與實作成果，並產生高度學習動 機。
在自然領域教學方面，Chu、Hwang 和 Tsai（2010）運用行動載具 帶領小學生認識校園植物，參與學生共 13 位，在校園內尋找植物的過程 中，學生透過行動載具掃描植物上的RFID（Radio Frequency Identification）
標籤後，系統便得以根據無線網路定位學生所在地，進而提供最佳路線 導引學生前往下一個目的地，學生則使用凱利方格將自己的觀察結果實 時進行紀錄、比對。研究結果指出學生普遍掌握了實驗中 12 種植物的基 本特性，並認為該系統對學習成效、學習動機方面確實能產生正面影響，
更能夠自己調配學習進度，對於該種教學模式表示滿意。
在語文教學方面，Hsu、Hwang 和 Chang （2010）為以英語為外語
（English as a Foreign Language，簡稱 EFL）的學生開發了一款移動式學
習系統提供了一個閱讀材料推薦機制，用於協助 EFL 的高中生閱讀符合 他們的偏好和知識水平的文章，同時在系統中嵌入一個註釋區，使學生 能夠獨自進行註釋或與夥伴共享。該實驗對象共 108 人，使用推薦系統 的實驗組學生又細分成使用單獨註釋功能組、以及使用具有共享註釋功 能的推薦系統的組別，控制組學生則使用有個人註釋但沒有推薦系統的 版本。實驗結果表明，兩個實驗組的學習成績均優於對照組。不過在兩 組之間不僅在成績並未有顯著差異外，共享註釋組的學生抱怨關於同伴 干涉的狀況，該組學生更具備了較高的內、外在認知負荷。
另外，推薦系統也能直接被用來改善自我學習效能，Kaklauskas 等 人（2013）透過生理特徵與學生的自我狀態評估指標開發教材推薦系統。
該實驗團隊利用特製滑鼠收集實驗對象的手溫、濕度、緊握程度、心率 等數據，對照實驗者對自己學習情緒的自陳狀態（情緒波動、有創造欲、
有學習興趣、喜、怒……等），建立依學生生理狀態判斷其學習熱忱的數 據庫。當推薦系統偵測到學生處於狀況較佳的階段時，系統可以自動推 薦較具挑戰性的教材給學生；相對的，學生處於狀態較差的狀況下，系 統會以輕鬆有趣的教材為主。
綜上所述，即使使用了適性化推薦系統，仍有可能因為教材呈現方 式、教學策略的影響給予學生過多的外在認知負荷。透過融入適當的學 習策略，消除外在認知負荷產生的可能性是有其必要性的。
數位遊戲式學習
「學習」本身蘊含許多規則，教師必須引導學生熟悉它們，並輔以 各種教學策略，上述流程顯示了學習本身與內建許多遊戲規則，需要適 當發揮策略才能通關的「遊戲」有不謀而合之處。學生在學習過程中必 須先了解教材本身的邏輯脈絡，在掌握規則後才能進一步了解應該採用 何 種 學 習 方 式 ， 將 自 主 學 習 權 掌 握 在 手 裡 （Gee, 2005; McFarlane, Sparrowhawk, & Heald, 2002）。而近年來，資訊教育迎來了新一波浪潮，
「學習」本身蘊含許多規則，教師必須引導學生熟悉它們，並輔以 各種教學策略，上述流程顯示了學習本身與內建許多遊戲規則，需要適 當發揮策略才能通關的「遊戲」有不謀而合之處。學生在學習過程中必 須先了解教材本身的邏輯脈絡，在掌握規則後才能進一步了解應該採用 何 種 學 習 方 式 ， 將 自 主 學 習 權 掌 握 在 手 裡 （Gee, 2005; McFarlane, Sparrowhawk, & Heald, 2002）。而近年來，資訊教育迎來了新一波浪潮，