研究工具

壹、LEGO Mindstorms 機器人

本研究所採用LEGO Mindstorms RCX 的教育基本組為工具，該組包含的 配件有：1 台 RCX 主機、2 個直流馬達（DC motor）、2 個觸碰感應器（touch sensor）、1 個光感應器（light sensor）、1 具紅外線傳輸器（tower）、1 顆燈泡、

齒輪組及各式積木。整組的售價為169 美元，目前台灣代理已不再進口因此以 樂高教育網（LEGO Education）美國網站價格表示

（http://www.legoeducation.com/store/）。

RCX 主機全名為「Robotic Command Explorer」為可程化積木（programmable brick）可以接受使用者撰寫的程式，透過紅外線將程式傳輸到 RCX 主機執行。

原廠設定RCX 可接受 LEGO 公司開發之 ROBOLAB 軟體所撰寫的程式。另有 LeJOS 團隊（http://lejos.sourceforge.net/）開發 RCX 的軔體，讓使用者可以 Java 開發RCX 的程式。本研究使用 Java 語言，因此 RCX 的軔體採用 LeJOS 的軔 體。

圖3-2 為 RCX 主機，其上有三組輸入（上方灰色方塊印有 1, 2, 3）及三組 輸出（下方黑色方塊印有A, B, C），輸入部份可連結各種感應器將訊息傳給RCX 主機，輸出部份可連結直流馬達或燈泡。

本研究中用於輸入的感應器有觸碰感應器（touch sensor）及光感應器（light sensor），輸出部份使用直流馬達。觸碰感應器可以回傳有撞到（true）或沒有 撞（false）到的布林值。光感應器能感測環境的亮度回傳 0~100 的整數，0 為 最暗100 為最亮。圖 3-3 為本研究中採用之機器人裝配，事前已由研究者裝配 完成，在教學活動進行中不會讓學生變更。

圖3-2 RCX 主機

圖3-3 機器人及其感應器配置

貳、Lego Mindstorms Simulator 模擬軟體

機器人的模擬軟體採用由曾義智（2007）中文化並簡化原本由德國 Paderborn 大學開發的模擬軟體 Lego Mindstorms Simulator（LMS）。LMS 能接 受用Java 程式語言開發的機器人程式（編譯後的 jar 檔），配合模擬環境的設定 檔（地圖檔和機器人設定檔）就可以將真實機器車的情境呈現在螢幕上。教師 可將各設定檔連結包裝成一個專案檔，當使用者開啟該專案檔所有相關的機器

(a) 側視圖 (b) 俯瞰圖

人程式、機器人設定檔、地圖檔，就會自動載入。

圖3-4 為本研究採用之模擬軟體，授課前教學者需事先備妥專案，包含地 圖、機器人設定檔及機器人程式檔。在教學活動時，當學生將編譯好的機器人 程式傳輸到此模擬軟體之後，即可從模擬軟體載入專案，選取對應的專題，地 圖和機器人就會自動載入，按下開始後就可以看到機器人執行的結果。模擬軟 體亦提供載入地圖的功能（檔案→載入地圖），可以讓學生嘗試同一程式在不同 的地圖上的執行結果。

圖3-4 Lego Mindstorms Simulator 模擬軟體（LMS）

參、態度問卷

態度問卷目的在了解學生使用樂高機器人、樂高模擬軟體的使用情況以及 針對學生的學習態度進行了解。共施測2 次，分別於第一、二階段教學活動完 後進行。問卷問題包含程式學習情況及程式學習態度兩方向，詳細問卷內容參 閱附錄一。

第一階段問卷的程式學習情況方面，詢問學生學習活動中的指令學習情 況、學生自行除錯能力、學生解題思考等，三種問題（傳統組6 題，機器人組

7 題）。程式學習態度方面，詢問學生對學習程式設計的想法、繼續學習程式設 計的意願（共5 題）。

第二階段問卷的程式學習情況詢問的題目種類和第一階段相同，但在學生 解題思考類增加了一題詢問學生是否需要參考別組的程式碼的題目（共7 題）。

因為從課堂觀察發現，教學活動進行到後面的單元，漸漸有學生會參考班上比 較高成就的小組的程式碼來解題，經討論後決定加入1 題詢問學生參考別組程 式碼之情況。程式學習態度方面，題目種類和第一階段問卷相同，但是在第一 階段採用機器人教學的三組，多2 題詢問學生對於工具轉換的想法（傳統組 4 題，機器人組6 題）。第二階段問卷多設計了開放式的問題，用以收集學生對於 本學期學習程式設計的想法，第一階段採用機器人教學的三組多詢問1 題學生 對於學習工具轉換的想法（傳統組1 題，機器人組 2 題）。收集到的資料用以探 討不同的程式設計教學輔助工具對於學生學習程式情況及學習態度之影響。

肆、課堂觀察記錄

收集每堂課學生上課情況，主要觀察的內容有：教學流程、學習情況、工 具使用。目的在提供後續教學之改善及資料分析時之佐證或解釋，完整的記錄 表請參考附錄二。教學流程是觀察課堂上課的內容及時間分配，學習情況是觀 察學生的學習氣氛及學生常見的困難，工具使用觀察程式編輯環境及各組不同 的教學工具的使用情況、常見的困難及工具可能發生的意外情況。

伍、授課講義

本研究使用的講義有：第一階段教學講義、第二階段講義、銜接教材，共 3 種。講義的目的在於讓學生學習解題思考，並非專注於語法或程式技巧的學 習，因此講義將學生可能會運用到的語法及技巧都列出來，讓學生可以參考並 運用於解題，詳細講義內容請參考附錄三。

在第一階段四組採用的講義，程式設計的概念都相同（請參考教學規畫），

依照使用的教學工具不同而有差別。機器人三組的講義以圖片及文字呈現問 題，而三組的講義差別只有在機器人的圖片及迷宮圖（圖3-5），實體機器人組 是實體機器人的圖和實體迷宮圖（圖3-5(a)），模擬軟體組是模擬軟體的機器人 和迷宮圖（圖3-5(b)），實體加模擬組則是兩種圖都呈現。傳統組方面則以文字 及該題要求的輸出結果呈現題目。程式概念在前五單元就全數上完，第六單元 為程式專題。專題的目的是讓學生綜合學習的內容，應用在解題上。

(a) 實體機器人組 (b) 模擬軟體組

圖3-5 機器人組講義圖片之差異

銜接教材是為了讓第一階段使用機器人的三組，能補足傳統程式設計環境 的輸入及輸出指令而設計。題目的呈現方式和第一階段的方式相同，都是以文 字和預期輸出結果來呈現。

第二階段四組都採用同樣的講義，題目呈現方式以文字及輸出的結果，詳 細講義內容請參考附錄四。

陸、成就測驗

本研究共進行二次的成就測驗，分別於各階段進行完之後。測驗卷題目的 設計，主要分為兩個部份，第一部份為理解程式，測驗學生是否能正確瞭解題 目的程式碼；第二部份為設計程式，要求學生撰寫程式碼解題。

一、第一階段成就測驗

依照各組使用的教學方式設計題目，機器人三組是針對樂高機器人情境的

問題，而傳統組是以傳統程式設計問題，四組所測驗的程式設計概念都相同。

本階段僅分析機器人三組之成績，傳統組同樣進行測驗但不進行分析。

機器人組的測驗的總分為26 分，第 1 至 3 題為理解程式的題目共 12 分，

第4、5 題為設計程式的題目共 14 分，測驗題目的概念及給分方式如下表 3-3 所示（詳細的測驗題目請參考附錄五）。

表3-3 第一階段成就測驗命題概念及給分標準對照表

題號 概念 給分標準

1 變數 轉的角度正確+1

轉的方向正確+1 完全正確+1

2 if… else 使用if 結構正確+2 圖形正確+1

完全正確+1 3 while 迴圈 執行次數正確+2

完全正確+1

4 if else 判斷式實作 每行if… else 正確+1 每個if…else 的內容正確+1 while 使用正確+2

5 while 及 if else 的綜合應用 能走黑色軌跡+2 能走碰撞迷宮+2 能走完全程+3

二、第二階段成就測驗

在第二階段四組的教學都相同，因此測驗卷相同。測驗卷的總分為24 分，

前面第1~3 題為理解程式題共 11 分，第 4、5 題為設計程式題共 13 分，各題的 設計概念及給分標準如下表3-4 所示（詳細的測驗題目請參考附錄六）。

表3-4 第二階段成就測驗命題概念及給分標準對照表

題號 概念 給分標準

1 if…else、while、for 的應用 每子題答對給+1

2 陣列的操作 每子題答對給+1

3 for 迴圈 變數的累加

第一子題正確+2，執行次數只差一次+1，

其餘0 分

第二子題輸出正確給+2，其餘 0 分 4 if…else 的程式實作 輸入正確+1

變數宣告正確+2，有小瑕疵+1 變數運算正確+1

輸出正確+1

程式能正確執行+2 5 陣列的操作

循序搜尋法

正確輸出+2，有小瑕疵+1

正確使用for 迴圈+2，臨界值有誤+1 程式能正確執行+2，有小瑕疵+1

柒、個別訪談問卷

在所有教學活動進行完之後，針對成就測驗中及課堂觀察可能具有特別心 智模型的參與者進行5~10 分鐘的個別訪談。受訪者在接受訪談時同時會填寫 一份訪談問卷，詢問受訪者對於特定程式設計概念，while 迴圈、if else 判斷式、

變數等，關於以上概念的所有想法，且訪談的對話皆錄音。