機器人與程式設計教學

壹、程式設計教學的問題

程式設計是一項需要邏輯推理能力的認知活動，在學習的過程中能夠培養 學生高層次思考以及邏輯推理的能力（Cañas, Bajo, & Gonzalov, 1994; Costelloe, 2004）。在撰寫程式的過程中學生必須經歷兩個階段，首先必需了解題目想出解 題的方法 （演算法），就是問題解決的階段；再來將問題的解法轉換為程式碼，

意即所謂的程式撰寫與實踐的階段（Costelloe, 2004）。在問題解決階段對初學 程式設計的學生而言是相當困難的，Soloway（1986）認為以往程式設計教學太 過著重語法而忽略教導問題解決能力的重要。Costelloe 所提出的程式撰寫與實 踐階段，學生必需將各種程式的概念組織起來才能完成程式，但教師們常因為 學生不明白某些特定的程式概念而感到沮喪。Manila、Peltomaki 及 Salakoski

（2006）認為目前主流的程式語言，雖然功能強大但卻非專為教學設計，過於 複雜龐大的語法結構並不適合初學者。概括上述學者們所提初學者在學習程式 設計時，常面臨的困難有三：(1)問題解決能力不足、(2)某些程式設計的概念難 以學習、(3)程式語言的語法結構過於龐大；因此以下針對學者們如何解決此三 種困難做探討。

一、問題解決能力不足

Linn & Clancy（1992）認為學生已具備一般問題解決的能力，但並不能將 其運用在程式設計的解題方面，因此在教學上應教導學生如何將一般問題解決 能力應用在程式設計方面，而過去的程式教學過於著重程式語法的教學，忽略

了規劃程式的技巧。他們採用「個案研究（case study）」的方式，將專家解題 的範例程式分成好幾個重要的區塊，然後加上文字說明、虛擬碼、演算法、概 念圖、範例程式、除錯及測試技巧等，稱之為「板型（template）」，加以整理之 後教给學生。讓學生研讀專家的個案，從各式板型中學習程式語法及用法，更 重要的是學到如何規劃的技巧，並希望能用以解決更高難度的程式問題。

Soloway（1986）也認為應該教導學生如何規劃程式的技巧，他認為程式設計的 專家，在解題時能夠靈活運用其知識與策略。因此他建議可以採取goal/plan 的 教學策略，讓學生以top-down 的方式學習規劃程式。開始解題時依題目的要求 來確立目標（goal），然後細分有哪些已學過的策略（plan）可以達成目標，再 逐步精化、合併每一個策略，就可以順利解題。Soloway（1986）認為程式設計 的專家在閱讀程式時是以程式的區塊來記憶，專家會將程式碼區塊的功能抽象 化以方便記憶，這和初學者記憶程式是以逐行記憶不同。所以他認為在教程式 策略的時候也應該將每種策略的抽象概念以直接的方式教给學生。從上述內容 可以發現，學者們認為程式設計教學中教導學生如何規劃程式相當重要。

二、特定程式概念難以學習

Astrachan（1998）認為 C++中的參數傳遞、鏈結串列、指標等概念，初學 者學習效果不佳，他採用生活化的道具呈現程式設計概念，讓學生可以動手操 作，親自體會這些概念。他在傳統的課堂上，運用便利貼、飛盤、繩索、紙卡 等道具，這些和學生過去經驗相關的具體道具，讓學生能夠將新的概念與舊有 的經驗相連結，學習這些對初學者較難學習的抽象概念。例如：以貼上便利貼 的飛盤做為要傳遞的參數，當飛盤從一位學生手中丟到另一位學生的手中，即 完成了參數的傳遞；以帶有黏性的繩索喻為指標，一端握在學生手上，另一端 黏到寫有資料的紙卡（比喻為物件），代表有指向物件的指標，反之若另一端沒 有黏紙卡，代表指向空物件（NULL）。這種結合生活化及動手操作的教學方式，

不但能表現出抽象的程式概念，也能幫助初學者加深學習的印象及學習效果

（Astrachan, 1998）。有些學者認為使用視覺化的方式呈現一般初學者較難學習 的概念，有助於他們瞭解程式。Myers（1986）以視覺化方式呈現資料結構的 概念，他以畫在黑板的圖像呈現程式的資料結構，結果能更有效幫助學生理解 程式。

三、程式語言的語法結構過於龐大

有些學者認為目前主流的程式語言（如：C++、Java）功能強大，然而其 龐大的語法結構並非專為教學而設計（Manila, Peltomaki, & Salakoski,

2006）。Manila 等人認為若是採用比較簡單的程式語言(如：Python)，會讓學生 學得更輕鬆。但是對於教簡單的程式語言也有許多批評，認為初學者入門的程 式語言如果是比較簡單的，可能會造成日後在學習其他程式語言的阻礙。因此 Mannila 等人（2006）以行動研究的方式針對高中生學習兩種不同的程式語言，

Java 及 Python，在程式中出現的錯誤分析與比較，以及追蹤 8 位學習 Python 的學生未來就讀大學學習不同程式語言的情形。程式的錯誤不論是在語法與邏 輯上的錯誤或是例外處理方面，採用Python 的錯誤都比 Java 少很多。入門程 式語言學習Python 的學生，日後在學習新的程式語言方面，受訪的 8 位追蹤學 生中，只有一位表示在學習新的程式語言有困難。

在高中階段程式設計的教學目標是：(1)學習基本的程式設計及演算法式思 考，(2)為學生未來的學習做準備。而高中的授課時數相當有限。在短時間內要 教程式語言，若是採用比較簡單的程式語言，如Python，可以省去許多繁雜的 語法，也就能夠讓學生有比較多的時間專注在演算法的思考上。而且經由 Mannila 等人（2006）的研究證明，大部分先學 Python 的學生在未來學習其他 的程式語言也可以學得很好。

Papert（1980） 在 Mindstorms 一書中以 LOGO 這套視覺化的程式語言，

以及所謂「微世界（microworlds）」的觀念。LOGO 程式語言運用簡單的語法 操控螢幕上的小海龜完成指定的任務，可以用以學習數學、物理等各種學科的

觀念。他以學習牛頓運動定律為例說明，「動者恆作等速度運動」這個定律學生 一開始學習時很難接受，因為在現實的情境之中的經驗相違背，我們在搬桌子 時要用力推桌子才會動，當停止施力時桌子就停下不動了，幾乎沒有辦法觀察 到物體一推就動而要停下來還要再反向施力的現象，這和學生過去的經驗沒有 辦法聯結，學習上也比較困難。因此，透過LOGO 建造一個單純的微世界，在 這個微世界中除去了一些在現實世界可能存在的磨擦力、空氣阻力等的干擾，

只有教學者希望學生學習的新知識內容，例如：將操控小海龜前進、轉彎等的 指令，視為力學中的力，讓學生透過操縱小海龜前進、轉彎，學習牛頓的運動 定律，因為只有在學生對小海龜下達前進或轉彎的指令時，小海龜才會做出動 作，在這個LOGO 構成的微世界中免除不必要的干擾，能夠讓學生更能夠專注 在學習及解題上。

貳、機器人與模擬軟體

本小結所討論之機器人為具有實體可讓使用者操控，而模擬軟體為不具實 體僅呈現在電腦螢幕上者。以下分為二部份：實體機器人、機器人模擬軟體討 論。

一、實體機器人

在程式設計教學亦有整合微世界與視覺化觀念的教學設計，1990 年代美國 麻省理工學院電腦教育學者們，設計出一套可程式化的實體積木（tangible programming bricks），並可以結合感應器讓可程式化的積木和外界的環境互 動，也就是後來的Lego Mindstorms（McNerney, 2004）。採用實體的機器人於 程式設計的教學，Fagin 等人（2001）採用 Lego Mindstorms 於程式設計導論的 課程中，教學生循序、變數及常數的概念。首先要運用機器人教學生循序的概 念，只要將要機器人執行的程式碼依序寫好，當機器人執行的時候自然就會依 照先前寫好的順序執行；而在變數的概念，採取一個會讓機器人會根據某些狀

況變動的變數來教學生，會是比較好的策略；要讓學生學習常數的概念，是以 讓機器人轉九十度為例，要讓機器人轉彎是只讓其中一個輪胎繼續轉動，另一 個輪胎不動一段時間，來達到轉彎的動作，在此要讓輪胎不動的那段時間就是 一個常數的概念。要教學生這三個概念運用機器人是直覺的，因為當學生在解 機器人的問題時，學生會把他們看到的問題先設想成機器人的動作，再對應到 動作應該有的程序是如何，然後寫下程式碼，而且學生們的程式可以表現在機 器人的行為上，讓學生可以實際看到程式的運作使Design-write-run-redesign 的 循環能流暢進行。採用機器人於程式設計教學，因為其具有實體的特性，學生 能藉由撰寫程式操控機器人，除了可以讓學生有動手實作的經驗之外，也富含 趣味性（Fagin, 2001）。

Klassner（2002）讓學生以 LEGO Mindstorms 為基礎來設計人工智慧的專 題，因為Mindstorms 套件包括了觸碰、光線兩種感應元件，以及直流馬達及燈 泡可做為輸出，所以能夠做到與環境互動的功能適合做為人工智慧專題的教學 工具。在Klassner 的課程當中，讓學生充份應用各種零件組裝發展出符合老師 要求的專題，從評量的結果也顯示採用機器人的教學方式的確增進學生對於人 工智慧概念的瞭解，以及發覺學生採用機器人之後對多執行緒（mulithreading）

的程式設計方式比較有自信。但是在文中也指出採用Mindstorms 有不足之處，

例如多數的學生指出感應器可能不準確，以及Mindstorms 套件本身並沒有包含 轉角感應器（angle sensor），使用馬達控制轉角較不便，須要另外添購，但是這 種感應器可以用來設計許多有趣的專題。

二、機器人模擬軟體

以機器人為比喻輔助學生學習問題解決能力、演算法式思考已經不是新的

以機器人為比喻輔助學生學習問題解決能力、演算法式思考已經不是新的