第三章 研究方法
第四節 研究工具
本教學實驗所使用的研究工具有七項，包括：(1)基本資料調查問卷；(2)Java 程式語言for 迴圈先備知識測驗；(3)Eclipse 開發環境；(4)Jeliot 3 視覺化工具軟體；
(5)教學內容與教學實施方式；(6)Java 程式語言 for 迴圈成就測驗；(7)學習態度問 卷。各項工具詳述如下：
壹、基本資料調查問卷
基本資料調查問卷目的在收集研究對象之個人之基本資料與相關學習背景 資訊。首先「學習前調查問卷」中的「個人資料」其中包含了性別、年齡分布、
電腦基本操作經驗與程式語言背景，請參考附錄一。
貳、Java 程式語言 for 迴圈先備知識測驗
Java 程式語言 for 迴圈先備知識測驗的目的在了解研究對象的起點行為及對 課程先備知識理解。為避免受試者於教學實驗前因具備相關先備知識程度不同而 對實驗結果造成影響，所有的受試者均接受相同的先備知識測驗，測驗成績將作 為先備知識分組的依據，並作為統計分析之共變量，用以排除因起點能力不同而 導致教學實驗結果有所誤差的情形。Java 程式語言 for 迴圈先備知識測驗的試題 配分細節如表3-2 所示。
先備知識測驗試題由研究者出題，主要是依據昇陽 Java 程式語言官方教材，
主要內容為變數命名規則、型別與表示法、運算子與題意理解以及if 判斷式，題 目為一題複選題，配分3 分，四題單選題，配分 4 分，六題填充題，配分 14 分，
總分合計21 分，本測驗信度為 .712(Cronbach’s α = .712)；效度採專家效度，經 由兩位相關領域專家審核，確認該題目符合測試主題，審閱後修訂完成。共兩份 考題，範圍、題型相同，排列次序與題目數值不同，請參考附錄二與附錄三。
參、Eclipse 開發環境
Eclipse 開發環境是 Eclipse 專案中所提供免費的程式語言開發工具。IBM 於 2001 年 11 月宣佈貢獻出了開發軟體給開放原始碼的 Eclipse 專案，Eclipse 開發環 境它有針對 Java 或是 C、C++程式語言多種版本，可以到 http://www.eclipse.org 去下載。本研究採用的版本是可以執行在 Windows 作業系統下的 Java 程式語言
版本，版本別為Ganymede 3.4.2，Eclipse 開發環境提供有中文化支援，如圖 3-4 式碼，如圖 3-5 所示，可以幫助學習者即時檢核語法，並提供修改建議；Eclipse 開發環境亦提供自動編譯(Compile)功能，學習者無需額外下指令。
圖 3-4： Eclipse (Ganymede 3.4.2) 開發環境操作介面
圖 3-5： Eclipse (Ganymede 3.4.2) 開發環境操作介面區塊說明 當執行結果與預期不符合時，學習者可以設定中斷點(Break point)，如圖 3-5 所示，並使用偵錯功能(Debug mode)執行，以逐步方式觀察程式運行時變數之變 化，Eclipse 開發環境會以文字方式呈現變數當下的現值，如圖 3-6 所示。
套件瀏覽器 編輯器視圖
中斷點
圖 3-6： Eclipse (Ganymede 3.4.2) 開發環境操作介面說明
使用除錯功能時，Eclipse 開發環境視窗分為幾個重要區塊，「變數視圖」
(Variable View)顯示程式運行時變數當下的現值；「編輯器視圖」顯示所有程式 碼並標示目前所執行的程式碼；「主控台」則是顯示程式執行之輸出結果，如圖 3-6 所示。
肆、Jeliot 3 視覺化工具軟體
Jeliot 3 視覺化工具軟體為 Java 程式視覺化工具的一種，由芬蘭 Joensuu 大學 使用Java 程式語言開發，以動畫方式呈現程式運作，並使用流暢移動圖形物件來 視覺化資料結構與程式流程的一個免費工具。Jeliot 3 的主要用途是使用在程式語 言導論課程中，幫助程式語言初學者與電腦科學學生學習Java 程式語言。此外，
Jeliot 3 以程式原始碼產生動畫來呈現程式的運作，可以以動畫方式呈現多數 Java 程式語言功能，從單純的指派、方法呼叫到物件記憶體配置(Moreno, Myller, Sutinen & Ben-Ari, 2004)。進行本研究時，Jeliot 3 只有英文版本，操作介面如圖 3-7 所示。研究者考慮受試者操作度與語言熟悉度，獲得 Jeliot 3 軟體研發負責人 同意並加入Jeliot 3 多國語言化子計畫，完成設計與並進行開發 Jeliot 3 多國語言 的支援。Jeliot 3 繁體中文版的操作介面，如圖 3-8 所示。
變數視圖
編輯器視圖
主控台
圖 3-7： Jeliot 3 英文版操作介面
圖 3-8： Jeliot 3 繁體中文版操作介面
Jeliot 3 視覺化工具視窗左側之「程式碼編輯區」可以編輯程式碼，「動畫展 示區」則是在操作介面右側上半部。操作介面右側上半部分為四個區域：
程式碼編輯區 動畫展示區
功能鍵區 主控台
1. 方法區域(Method Area)
顯示方法結構並包含區域變數。
2. 常數與靜態區域(Constant and Static Area) 顯示常數(constants)與靜態(static)變數。
3. 物件區域(Instance and Array Area)
顯示方法區域中變數所參考到的物件與陣列。
4. 運算區域(Expression Evaluation Area) 顯示運算式計算的歷程。
Jeliot 3 視覺化工具操作介面左下角為「功能鍵區」，有編輯(Edit)、編譯 (Compile)、逐步(Step)、播放(Play)、暫停(Pause)與倒帶(Rewind)等功能鍵。操作 介面右下角則是「主控台」是用來顯示程式執行結果，如圖 3-8 所示。研究者經 驗指出過去針對不同程式詮釋程式動態歷程，需要花費額外時間製作投影片，使 用 Jeliot 3 的動畫呈現可以節省不少教學者的時間，學習者也可以在非課堂時間 自行操作與學習。
Jeliot 3 視覺化工具發展至今，有一些執行上的限制，其描述如下：
1. 相關程式碼必須全部放在「程式碼編輯區」中 2. 可以宣告不帶參數之主程式(程式進入點) 3. 編譯訊息與標準編譯器所產生結果不同
4. 程式所用到的程式庫只支援標準的 java.lang 套件
研究者認為，為了避免上述工具限制帶來學習者之學習負荷與負面影響，應 著手設計合適之教學活動。所以，在 Jeliot 組學習者進行學習活動時，會先使用 Eclispe 開發工具，進行編譯，待編譯無誤後，再將正確之程式碼複製到 Jeliot 3 視覺化工具之「程式碼編輯區」，接著按下Jeliot 3 視覺化工具「功能鍵區」中之 編譯(Compile)，再按下逐步(Step)或是播放(Play)進行動畫播放。
伍、教學內容與教學實施方式
本研究所設計的實驗教材是參考昇陽(Sun Microsystems Corp.)官方教材，研 究者自編「for 迴圈」單元教材，並依據 ARCS 模型與 ADDIE 系統化教學設計模 式規劃實驗教學教材並應用Gagne 的九個教學事件於教學實施上。教學內容經資 訊教育與領域專家審閱修訂而成，以下依照教學內容以及教學方式實施分述如
下：
一、教學內容
本研究之教學內容依據 ARCS 模型與 ADDIE 系統化教學設計模式規劃。
ARCS 動機模式是 Keller 在 1983 年提出。ARCS 指的是 Attention(注意)、
Relevance(相關)、Confidence(信心)、Satisfaction(滿足)四個要素，強調引起學習 者的動機必須配合此四要素的運用，才能達到激勵學生學習的作用。ARCS 模型 整合了我們已知的許多動機理論，動機理論的提出在於強化系統化的教學設計，
使教材的設計更能符合激勵學習者的參與及互動，並提供了理論的組織與實務的 應用。ARCS 模式應用於本研究之描述如下：
1. 引起注意(Attention)─吸引學生的興趣和刺激學生的好奇心。採用教學策略
─回顧先備知識，並提出程式範例，請學習者回答程式執行的結果。
2. 切身相關(Relevance)─說明與下一階段學習目標的關聯，使學生產生較積 極學習態度。採用教學策略─學習目標導向，說明本學習單元之重要性。
3. 建立信心(Confidence)─幫助學生建立起能成功的信心，相信自己有掌握是 否能完成他的能力。教學策略─指定練習的程式，其內容與講師演練程式相 似，讓學習者自行完成。
4. 感到滿足(Satisfaction)─學生能因成就而得到內在和外在的鼓勵和報償。教 學策略─提出一個較進階的範例，提供學習者可以一顯身手的機會，並適時 給予正向回饋。
本研究參照 ADDIE 系統化教學設計模式規劃教學輔助教材，設計流程如圖 3-9 所示。教材設計步驟為：
1. 分析階段(Analysis)：包含學習者分析與學習內容分析；
2. 設計階段(Design)：擬訂教學目標與教學策略(採用 ARCS 模型)；
3. 發展階段(Development)：發展教材和學習單；
4. 建置(Implement)：軟體發展與修正與安裝測試；
5. 評鑑階段(Evaluation)：經由領域專家評鑑教材，並依據專家之建議修正 教材。
圖 3-9： 教學輔助教材設計流程
本研究之教學課程主要分為「輔助工具安裝與介紹」和「for 迴圈程式概念課 程」兩大單元，教學課程架構表如表 3-3 所示。主要分為兩個學習重點：輔助工 具安裝與介紹，其學習目標是讓學習者了解如何安裝與設定Eclipse 工具以及基本 開發操作，傳統教學組應了解如何使用除錯工具觀察程式執行時動態的變化，
Jeliot 組則是使用 Jeliot 3。學習重點包含(1)設定 Eclipse；(2)建立 Eclipse 專案；(3) 程式編譯與執行；(4)除錯工具或 Jeliot 3 工具操作；(5)先備知識複習。for 迴圈
表3-3：教學課程架構表
圖 3-11： Eclipse (Ganymede 3.4.2) 工具操作教材
圖 3-12： Jeliot 3 工具操作教材
二、教學實施方式
研究者依據Gagne 建議九項一般的教學步驟，應用於此研究的工具學習與 for 迴圈教學中：
1. 引起注意：呈現一段程式、使用開發環境除錯工具或是視覺化工具。
2. 描述目標：描述課程的目標，說出學生將能夠達成的目標以及他們如何能 夠利用判斷式與for 迴圈，並給予一個示範。
3. 刺激對先前所學知識的回憶：喚起學生之前學過與此課程相關的知識(型 別、變數以及運算子)。
4. 展示所需學習的素材：使用簡報與程式範例等，說明並將語法與範例作適 當分割。
5. 提供學習導引：在學習活動中，提出適當引導與操作步驟。
6. 誘發表現：利用學習單中的練習題，讓學生練習先前與課堂中所教的新語 法，學習單請參考附錄四與附錄五。
7. 提供有益的回饋：執行程式時提出問題讓學生回答，並適時提出回饋。
8. 增強保留和遷移：最後研究者只加強學習保留，讓學習者回顧課程內容。
9. 評鑑表現：利用成就測驗瞭解學生對 for 迴圈的理解程度。
綜合上述，兩組之教學內容與學習活動均相同，主要差異在於學習時有無使 用視覺化工具，其教學流程如圖 3-13 所示。
圖 3-13： 教學流程
兩組在學習工具安裝與講解階段，均先教授Eclipse 工具之安裝與操作，傳統 教學組進行除錯工具教學，Jeliot 組進行 Jeliot 3 工具教學，透過先備知識測驗的 題目，進行先備知識複習，並進行練習一(參考附錄四)。在此階段中可以讓使用 者熟悉工具之操作，並活化學習者之先備知識。在 for 迴圈教學與課堂練習中，
兩組在學習工具安裝與講解階段，均先教授Eclipse 工具之安裝與操作，傳統 教學組進行除錯工具教學，Jeliot 組進行 Jeliot 3 工具教學，透過先備知識測驗的 題目，進行先備知識複習，並進行練習一(參考附錄四)。在此階段中可以讓使用 者熟悉工具之操作，並活化學習者之先備知識。在 for 迴圈教學與課堂練習中，